DE102015001623A1

DE102015001623A1 - Autarke Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102015001623A1
Application number: DE102015001623.7A
Authority: DE
Inventors: Florian Zimmermann; Brian Schneider
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2016-08-11
Also published as: WO2016128128A1; CN107743558A; CN107743558B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine autarke Spannvorrichtung, insbesondere für eine Antriebskette eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse und einem in einer Kolbenbohrung des Gehäuses verschiebbar geführten Spannkolben. Dabei ist in der Kolbenbohrung ein Hochdruckraum und ein Niederdruckraum für ein Hydraulikmittel ausgebildet, die von dem Spannkolben getrennt werden. Darüber hinaus ist ein Reservoir für das Hydraulikmittel und eine Volumenausgleichseinrichtung vorgesehen, wobei das Reservoir in Fluidverbindung mit dem Niederdruckraum steht und die Volumenausgleichseinrichtung in Form einer beweglichen Reservoirwand ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine autarke Spannvorrichtung, insbesondere für eine Antriebskette eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse, einem in einer Kolbenbohrung des Gehäuses verschiebbar geführten Spannkolben, wobei in der Kolbenbohrung ein Hochdruckraum und ein Niederdruckraum für ein Hydraulikmittel ausgebildet sind und der Spannkolben den Hochdruckraum von dem Niederdruckraum trennt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einer solchen autarken Spannvorrichtung.
Einfache Spannvorrichtungen, die als Ketten- oder Riemenspanner in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, weisen zwischen dem Spannkolben und dem Spannergehäuse ein Druckraum auf, der zur Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens mit einem Hydraulikmittel gefüllt ist und der bei der Dämpfung unter einem hohen Druck steht. Weiter ist üblicherweise in diesem Hochdruckraum auch eine Druckfeder zum Vorspannen des Spannkolbens angeordnet ist. Über einen Drosselspalt zwischen dem Spannkolben und der Kolbenbohrung im Gehäuse oder über eine entsprechende Drosselöffnung in der Stirnseite des Spannkolbens kann das Hydraulikmittel bei einem Druckanstieg im Hochdruckraum durch die Einfahrbewegung des Spannkolbens aus dem Druckraum entweichen, um die Einfahrbewegung des Spannkolbens zu dämpfen. Der Hochdruckraum steht über ein Rückschlagventil mit dem Motorölkreislauf in Verbindung, um das ausgetretene Hydraulikmittel zu ersetzen.
Das unter Druck stehende Hydraulikmittel im Hochdruckraum verhindert auch bei relativ harten und kräftigen Schwingungsstößen auf den Spannkolben ein zu weites Einfahren des Spannkolbens in das Gehäuse. Je nach Einbaulage der Spannvorrichtung und der Versorgung des Hochdruckraums mit Hydraulikmittel über den Motorölkreislauf kann es zu einer teilweisen oder vollständigen Entleerung des Druckraums kommen. Dadurch kann es insbesondere beim Starten des Motors zu einer nahezu ungedämpften Einfahrbewegung des Spannkolbens kommen, wodurch nicht nur ein unerwünschtes Klappern des Verbrennungsmotors entstehen sondern sogar ein Überspringen der Steuerkette oder eines Zahnriemens verursacht werden kann. Dieser Effekt verstärkt sich bei einer verschleißbedingten Verlagerung des Arbeitsbereichs des Spannkolbens in Spannrichtung.
Zur Verhinderung einer unerwünschten Einfahrbewegung des Spannkolbens in das Gehäuse gibt es neben Spannvorrichtungen mit rein mechanischen Arretiereinrichtungen, die mit Hilfe federbelasteter Rastelemente die Einfahrbewegung des Kolbens blockieren, auch Spannvorrichtungen mit hydraulisch betätigten Nachstelleinrichtungen, die eine kontinuierliche Verlagerung des Arbeitsbereichs des Spannkolbens ermöglichen. Diese Konzepte mit einer kontinuierlichen Verlagerung des Arbeitsbereichs des Spannkolbens benötigen immer auch eine externe Versorgung des Hochdruckraums mit einem Hydraulikmittel.
Darüber hinaus gibt es autarke Spannvorrichtungen mit einem geschlossenen Hydrauliksystem, bei denen ein starker Abfall des Hydraulikmitteldrucks und ein Leerlaufen des Hochdruckraums im Inneren der geschlossenen Spannvorrichtung verhindert wird. Ein derartiger autarker Hydraulikspanner ist bereits aus der DE 10 2008 016 654 A1 bekannt. Diese in sich geschlossene selbstspannende Spannvorrichtung umfasst ein zylindrisches Gehäuse mit einem in einer Kolbenbohrung des Gehäuses geführten Spannkolben, an dem einstückig eine Kolbenstange ausgebildet ist, und einen Freikolben, durch den sich die Kolbenstange erstreckt. Die Kolbenbohrung des Gehäuses wird durch den Spannkolben in einen Hochdruckraum und einen Niederdruckraum geteilt, wobei der Freikolben das Hydraulikreservoir des Niederdruckraums gegenüber dem sich außerhalb der Spannvorrichtung befindlichen Luftbereich unter Atmosphärendruck abgrenzt. Da sich bei einer Ein- oder Ausfahrbewegung des Spannkolbens das Volumen des Hochdruckraums ändert, muss zur Kompensation der Niederdruckraum das Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum aufnehmen oder entsprechend abgeben, wobei sich der Freikolben nicht nur relativ zur Kolbenstange des Spannkolbens, sondern auch relativ zum Gehäuse bewegt. Um den Niederdruckraum und damit den mit Hydraulikmittel gefüllten Bereich der Spannvorrichtung gegenüber dem Luftraum abzudichten, ist am Freikolben ein Doppeldichtring vorgesehen, der sowohl gegenüber der Kolbenbohrung des Gehäuses als auch gegenüber der Kolbenstange eine Gleitdichtung ausbildet. Bedingt durch den bodenorientierten Aufbau neigt die Kolbenstange dieses autarken Hydraulikspanners zum Kippen, weshalb neben einer aufwändigen Abdichtung des Freikolbens auch nur geringe Toleranzen zulässig sind, wodurch sich insgesamt ein hoher Aufwand für die Herstellung eines solchen autarken Hydraulikspanners ergibt.
Der Erfindung liegt insofern die Aufgabe zugrunde, eine autarke Spannvorrichtung bereitzustellen, die die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Spannvorrichtungen vermeidet oder reduziert.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen autarken Spannvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Reservoir für das Hydraulikmittel und eine Volumenausgleichseinrichtung vorgesehen sind, wobei das Reservoir in Fluidverbindung mit dem Niederdruckraum steht und die Volumenausgleichseinrichtung in Form einer beweglichen Reservoirwand ausgebildet ist. Das Reservoir für die Aufnahme des Hydraulikmittels, das zwar in Fluidverbindung mit dem Niederdruckraum steht, aber sich außerhalb der Kolbenbohrung befindet, ermöglicht eine einfache Aufnahme und Abgabe des Hydraulikmittels aus dem Hochdruckraum bei einer Bewegung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung ohne einen Freikolben, wobei im Gegensatz zu herkömmlichen autarken Hydraulikspannern mit Freikolben trotz einer verhältnismäßig kurzen Baulänge ein großer Hub des Spannkolbens realisierbar ist. Dazu ist das mit dem Niederdruckraum in Fluidverbindung stehende Reservoir mit einer Volumenausgleichseinrichtung in Form einer beweglichen Reservoirwand ausgebildet. Die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung ermöglicht die Anpassung des Volumens des Reservoirs auch an extreme Positionen des Spannkolbens und entsprechend einem großen Spannweg zum Vorspannen einer Antriebskette eines Verbrennungsmotors. Neben dem Einsatz als Kettenspanner ist diese autarke Spannvorrichtung auch in gleicher Weise als Riemenspanner einsetzbar. Die erfindungsgemäße autarke Spannvorrichtung benötigt, sobald sie einmal mit dem Hydraulikmittel befüllt ist, keine externe Versorgung und damit auch kein Anschluss an den Motorölkreislauf des Verbrennungsmotors. Das im Bodenbereich der Kolbenbohrung bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens im Hochdruckraum unter hohem Druck stehende Hydraulikmittel entweicht über einen Drosselspalt zwischen Spannkolben und Kolbenbohrung oder einer anderweitigen Drosselöffnung in den Niederdruckraum auf der gegenüberliegenden Seite des Spannkolbens in der Kolbenbohrung. Da der Niederdruckraum in Fluidverbindung mit dem Reservoir für das Hydraulikmittel steht, das bevorzugt in dem Gehäuse der Spannvorrichtung ausgebildet ist, kann die Volumenzunahme des Hydraulikmittels über die Volumenausgleichseinrichtung kompensiert werden, wobei die bewegliche Reservoirwand entsprechend das Volumen des Reservoirs vergrößert ohne einen Druckanstieg im Niederdruckraum bzw. dem Reservoir.
Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass die Volumenausgleichseinrichtung einen federbelasteten Ausgleichskolben zur Vorspannung und Rückstellung der beweglichen Reservoirwand aufweist. Ein solcher federbelasteter Ausgleichskolben ermöglicht eine einfache Regulierung des Hydraulikmittelinhalts im Reservoir und eine geeignete Beschränkung des Volumens des Reservoirs. Darüber hinaus verhindert ein federbelasteter Ausgleichskolben ein ungewolltes Ansaugen von Luft oder Hydraulikmittel aus der Umgebung in das Reservoir oder den Niederdruckraum, der in Fluidverbindung mit dem Reservoir steht. Um den Hub des federbelasteten Ausgleichskolbens zu begrenzen und eine zu hohe Belastung der beweglichen Reservoirwand zu verhindern, kann die Volumenausgleichseinrichtung einen oberen Anschlag und einen unteren Anschlag für den federbelasteten Ausgleichskolben aufweisen.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung als eine elastische Membran ausgebildet ist. Eine solche elastische Membran ist zum einen undurchlässig für das Hydraulikmittel und ermöglicht zum anderen eine einfache Abdichtung der beweglichen Reservoirwand zum Reservoir. Darüber hinaus ermöglicht die elastische Membran einen gleichmäßigen Druck auf das Hydraulikmittel im Reservoir, auch bei einer ungleichmäßigen Belastung der Membran durch den Federkolben. Der federbelastete Ausgleichskolben kann dabei gleichzeitig zur Führung und Unterstützung der elastischen Membran dienen, insbesondere bei einem ansteigenden Druck im Reservoir.
Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass das Reservoir zumindest teilweise in dem Gehäuse der Spannvorrichtung ausgebildet ist. Neben der Reduzierung der Komponenten der Spannvorrichtung ermöglicht eine teilweise oder einteilige Ausbildung des Reservoirs in dem Gehäuse der Spannvorrichtung auch eine Anordnung des Reservoirs entlang der Flanschfläche der Spannvorrichtung, über die im Betrieb die in der autarken Spannvorrichtung durch den Drosselvorgang entstehende Wärme an das angrenzende Motorbauteil abgegeben werden kann.
Zweckmäßigerweise kann der Spannkolben eine Kolbenstange aufweisen, die auf der Spannseite des Spannkolbens angeordnet ist, wobei die Kolbenstange sich durch den Niederdruckraum erstreckt und stirnseitig aus dem Gehäuse austritt. Das Vorsehen einer Kolbenstange bzw. die Verjüngung des Spannkolbens auf der Seite des Niederdruckraums zu einer Kolbenstange ermöglicht zunächst einmal die Ausbildung eines Hochdruckraums und eines Niederdruckraums in der Kolbenbohrung und deren Trennung durch den Spannkolben. Darüber hinaus reduziert sich die Volumenänderung innerhalb der autarken Spannvorrichtung beim Aus- und Einfahren des Spannkolbens in die Kolbenbohrung bzw. der Kolbenstange in den Niederdruckraum. Für eine gute Abdichtung des Niederdruckraums gegenüber der Kolbenbohrung des Gehäuses und gegenüber der Kolbenstange kann das Gehäuse stirnseitig mit einem Stopfen versehen sein, wobei sich die Kolbenstange durch den Stopfen erstreckt. Dies ermöglicht auch eine gute Führung der Kolbenstange in dem Stopfen sowie eine relativ geringe Dichtfläche zwischen Kolbenstange und Stopfen. Da sich beim Aus- und Einfahren des Spannkolbens bzw. der Kolbenstange in das Gehäuse die Kolbenstange gegenüber dem Stopfen bewegt, ist in dem Stopfen günstigerweise eine Stangendichtung vorgesehen durch den sich die Kolbenstange erstreckt und der den Niederdruckraum gegenüber der Dichtfläche abdichtet.
Eine besondere Ausgestaltung sieht vor, dass die wirksame Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand größer ist als die Differenz der Querschnittsfläche der Kolbenbohrung abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenstange. Eine entsprechend große Ausgestaltung der wirksamen Ausgleichsfläche, der beweglichen Reservoirwand, entsprechend der Fläche des elastischen Formwandanteils einer elastischen Membran, ermöglicht eine Reduzierung des notwendigen Hubs der beweglichen Reservoirwand gegenüber des Hubs des Spannkolbens bzw. der Kolbenstange und damit gleichzeitig auch eine Reduzierung des notwendigen Reservoirvolumens für die autarke Spannvorrichtung. Dabei werden die Querschnittsflächen jeweils senkrecht zur Spannvorrichtung des Spannkolbens bzw. der Kolbenstange betrachtet.
Eine alternative Ausbildung sieht vor, dass die Querschnittsfläche der Kolbenstange zwischen 1% und 50%, bevorzugt zwischen 3% und 30%, insbesonder zwischen 5% und 15%, der wirksamen Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand beträgt. Eine relativ kleine Querschnittsfläche der Kolbenstange im Verhältnis zur Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand minimiert das notwendige Reservoirvolumen und damit auch die Baugröße der autarken Spannvorrichtung im Verhältnis zum möglichen Arbeitshub des Spannkolbens bzw. der Kolbenstange.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zwischen dem Hochdruckraum und dem Reservoir ein Rückschlagventil vorgesehen ist, um den Hochdruckraum mit Hydraulikmittel aus dem Reservoir zu versorgen. Dadurch lässt sich die Fluidversorgung und Druckhaltung des Hochdruckraums sicherstellen, wobei in einer sinnvollen Reihenanordnung von Reservoir, Hochdruckraum und Niederdruckraum das Rückschlagventil zur Versorgung des Hochdruckraums aus dem Reservoir am Boden der Kolbenbohrung des Gehäuses angeordnet ist.
Eine besondere Ausgestaltung der autarken Spannvorrichtung sieht vor, dass zwischen dem Hochdruckraum und dem Reservoir eine Drosselöffnung vorgesehen ist. Dabei kann diese Drosselöffnung zusätzlich oder alternativ zum Leckspalt zwischen Spannkolben und Kolbenbohrung vorgesehen sein. Über eine solche Drosselöffnung, die in einfachster Weise als Bohrung in der Gehäusewandung vorgesehen sein kann, lässt sich das Dämpfungsverhalten der autarken Spannvorrichtung gut einstellen und eine von der Viskosität des Hydraulikmittels, d. h. der Temperatur des Hydraulikmittels, unabhängigere Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens erreichen. Dabei kann zur ausreichenden bzw. verstärkten Dämpfung des Spannkolbens in einer Endlage des Spannkolbens, d. h. in der Nähe des Bodens der Kolbenbohrung, die Drosselöffnung in einer Seitenwandung des Gehäuses angeordnet und mittels des Spannkolbens verschließbar sein. Bei einem sehr tiefen Einrücken des Spannkolbens in die Kolbenbohrung verschließt der Spannkolben die in der Seitenwandung der Kolbenbohrung vorgesehene Drosselöffnung, so dass sich bei einem weiteren Einrücken des Spannkolbens in Richtung des Bodens der Kolbenbohrung die Dämpfung deutlich erhöht ist. So kann ein Klappern der Antriebskette über die verbleibende Spannung und stärkere Dämpfung des Spannkolbens verhindert werden.
Bevorzugt kann im Betrieb der Druckunterschied des Hydraulikmittels im Niederdruckraum und dem Reservoir zum Atmosphärendruck der Umgebung zwischen –0,2 bar und 2,0 bar betragen. Dieser geringe Druckunterschied gegenüber dem Atmosphärendruck kann in Abhängigkeit der Dichtigkeit der Stangendichtung und dem Druck des federbelasteten Ausgleichskolbens auf die bewegliche Membranwand eine verhältnismäßig einfache Abdichtung der autarken Spannvorrichtung gegenüber der Umgebung ermöglichen. Dabei herrscht im Betreib üblicherweise ein leichten Überdruck. Ein geringer Unterdruck im Niederdruckraum und dem Reservoir entsteht lediglich aufgrund der Trägheit des Systems bei einem schnellen Ausfahren des Spannkolbens. Darüber hinaus umfasst die verhältnismäßig einfache Abdichtung der autarken Spannvorrichtung, insbesondere die Abdichtung zwischen der Kolbenstange und dem Stopfen, auch die Möglichkeit, den Hydraulikmittelinhalt im Reservoir auszugleichen, sobald der federbelastete Ausgleichskolben am oberen oder unteren Anschlag anliegt. Bei einem fehlenden Volumenausgleich durch einen am oberen oder unteren Anschlag anliegenden Ausgleichskolben kann der Druck im Hydraulikmittelreservoir deutlich stärker gegenüber dem Atmosphärendruck schwanken und über die Dichtung zwischen der Kolbenstange und dem Gehäuse bzw. Stopfen Hydraulikmittel in das Reservoir einsaugen bzw. aus dem Reservoir abgeben und so für einen Ausgleich eines zu großen oder zu niedrigen Hydraulikmittelinhalts im Reservoir sorgen.
Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einer ein Antriebskettenrad und mindestens ein Abriebskettenrad miteinander verbindenden Antriebskette und einer die Antriebskette spannenden autarken Spannvorrichtung nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Durch die autarke Ausbildung der Spannvorrichtung benötigt dieser Kettentrieb eines Verbrennungsmotors keinen Anschluss an den Motorölkreislauf. Daher kann auch beim Absinken des Drucks im Motorölkreislauf eine zuverlässige Funktion der Spannvorrichtung gewährleistet werden. Somit ergibt sich weiter die Möglichkeit, eine Schmierung des Verbrennungsmotors jenseits eines von einer Motorölpumpe angetriebenen Motorölkreislaufs zu realisieren. Die autarke Spannvorrichtung in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann in annähernd gleicher Weise auch für einen Riementrieb eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kettentriebs mit einer erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung, und
2 eine perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung.
Der in 1 dargestellte Steuerkettentrieb 1 eines Verbrennungsmotors umfasst zwei oben liegende Nockenwellenkettenräder 2, ein unten liegendes Kurbelwellenkettenrad 3, eine um diese herum geschlungene Steuerkette 4, eine Führungsschiene 5 zur Führung der Steuerkette 4 im Leertrum des Steuerkettentriebs 1 und eine schwenkbar angeordnete Spannschiene 6, die im Lasttrum des Steuerkettentriebs 1 auf die Steuerkette 4 drückt. Dabei wird die Spannschiene 6 mittels einer in Verbrennungsmotor befestigten, autarken Spannvorrichtung 8 an die Steuerkette 4 gedrückt. Dabei ist die autarke Spannvorrichtung 8 als Flanschspanner ausgebildet und durch Befestigungsmittel 12 an einem Motorbauteil 7 angeflanscht, siehe auch 2. Dabei tritt die Kolbenstange 9 der Spannvorrichtung 8 auf den Andrückbereich 10 der schwenkbar angeordneten Spannschiene 6 und damit auch auf die Steuerkette 4 im Lasttrum des Steuerkettentriebs 1.
2 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 8 anhand einer Schnittdarstellung durch die als Flanschspanner ausgebildete autarke Spannvorrichtung 8. Die Spannvorrichtung 8 umfasst ein Gehäuse 11, das als Bohr- und Frästeil ausgebildet ist, das über mehrere Befestigungsmittel 12 an einem Motorbauteil 7 befestigt ist. Das Gehäuse 11 weist eine zylindrische Kolbenbohrung 13 auf, in der der Spannkolben 14 mit der am Spannkolben 14 in Spannrichtung vorstehenden Kolbenstange 9 verschiebbar geführt ist. Wie in 1 gezeigt, drückt der Endstopfen 15 am spannseitigen Ende der Kolbenstange 9 auf den Antriebsbereich 10 der Spannschiene 6 auf, um die Steuerkette 4 mittels der Spannschiene 6 vorzuspannen.
Der Spannkolben 14 ist als Hohlkolben ausgebildet und weist in seinem Inneren eine Druckfeder 16 auf, die gegen die Stirnseite 17 des hohlzylindrischen Spannkolbens 14 drückt und den Spannkolben 14 in Spannrichtung vorspannt. An der Stirnseite 17 schließt sich in Spannrichtung die Kolbenstange 9 an, wobei in der Kolbenstange 9 ein Hydraulikmittelkanal 18 vorgesehen ist, der von dem Endstopfen 15 verschlossen wird. Am Boden der Kolbenbohrung 13 ist ein Rückschlagventil 19 angeordnet, das über die Druckfeder 16 in dessen Ventilsitz im Boden der Kolbenbohrung 13 gedrückt wird.
In der Kolbenbohrung 13 ist zwischen dem Boden der Kolbenbohrung 13 und dem hohlzyindrischen Spannkolben 14 ein Hochdruckraum 20 ausgebildet, der über das Rückschlagventil 19 mit Hydraulikmittel versorgt wird. Im Betriebszustand ist der Hochdruckraum 20 mit einem Hydraulikmittel unter einem gewissen Betriebsdruck gefüllt, um bei einem Einfahren des Spannkolbens 14 in die Kolbenbohrung 13 eine hydraulische Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 zu ermöglichen. Jenseits des Spannkolbens 14 befindet sich im spannseitigen offenen Ende der Kolbenbohrung 13 ein Niederdruckraum 21, in dem das Hydraulikmittel mit einem geringen Überdruck gegenüber Atmosphärendruck vorliegt. Am spannseitigen offenen Ende der Kolbenbohrung 13 ist ein Stopfen 22 vorgesehen, in dem eine ringförmige Stangendichtung 23 angeordnet ist und durch den hindurch sich die Kolbenstange 9 aus dem Niederdruckraum 21 nach außen erstreckt, wobei die Stangendichtung 23 den Niederdruckraum 21 gegenüber der sich durch den Stopfen 22 nach außen erstreckenden Kolbenstange 9 abdichtet. Der Niederdruckraum 21 ist über einen Verbindungskanal 24 mit einem Reservoir 25 für das Hydraulikmittel, üblicherweise Motoröl des zugehörigen Verbrennungsmotors, fluidmäßig verbunden. Das Hydraulikmittel-Reservoir 25 erstreckt sich entlang des Flanschbereiches 26 des Gehäuses 11 von dem am spannseitigen Ende des Gehäuses 11 befindlichen Verbindungskanal 24 zum Niederdruckraum 21 bis zum Gehäuseboden 27, in dem eine Fluidzuführung 28 zum Rückschlagventil 19 vorgesehen ist. Über die Fluidzuführung 28 und das Rückschlagventil 19 wird der Hochdruckraum 20 bei einer Ausfahrbewegung des Spannkolbens 14 mit Hydraulikmittel versorgt, wobei das Rückschlagventil 19 das Hydraulikmittel nur in Richtung des Hochdruckraums 20 hindurch lässt, und in der entgegengesetzten Richtung den Ventildurchgang verschließt, um die Schwingungsdämpfung der Spannvorrichtung 8 zu ermöglichen.
Am Gehäuseboden 27 ist zur Begrenzung des Hydraulikmittelreservoirs 25 eine Volumenausgleichseinrichtung 29 vorgesehen. Dabei ist in dieser Ausführungsform die Volumenausgleichseinrichtung 29 als separates Bauteil ausgebildet, das an das Gehäuse 11 montiert wird, um das Reservoir 25 auszubilden, jedoch kann die Volumenausgleichseinrichtung 29 auch als Teil des Gehäuses 11 ausgeführt sein. Die Volumenausgleichseinrichtung 29 besteht aus einem einseitigen offenen Hohlkörper 30, bevorzugt einen hohlzylindrischer Körper, der entsprechend dem Gehäuseboden 27 dimensioniert und ausgeformt ist. Über die Öffnung des Hohlkörpers 30 erstreckt sich eine elastische Membran 31, die die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung 29 ausbildet und gleichzeitig auch die Abdichtung zwischen dem Hohlkörper 30 und dem Gehäuseboden 27 bewirkt. Die elastische Membran 31 liegt auf der dem Reservoir 25 abgewandten Seite auf einem Ausgleichskolben 32 auf, der ungewollte Ausstülpungen und einseitige Überlastung der elastischen Membran 31 verhindert. Der Ausgleichskolben 32 wird über eine Schraubenfeder 33 in Richtung der elastischen Membran 31 vorgespannt und sorgt bei einem abnehmenden Volumen des Hydraulikmittels im Reservoir 25 für das Nachrücken der beweglichen Reservoirwand, d. h. der elastischen Membran 31, und damit auch zur Aufrechterhaltung des Hydraulikmitteldrucks im Reservoir 25, der im Wesentlichen durch die druckabhängige Durchlässigkeit der Stangendichtung 23 gegenüber der Kolbenstange 9 bestimmt wird. Der Ausgleichskolben 32 ist in einer Hülse 34 des Hohlkörpers 30 geführt, wobei die Hülse 34 zusammen mit dem pilzförmigen Ausgleichskolben 32 einen unterer Anschlag 35 und einen oberen Anschlag 36 ausbildet.
Im Bereich des Hochdruckraums 20 ist in der Seitenwand der Kolbenbohrung 13 eine Drosselöffnung 37 vorgesehen, aus der bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 in die Kolbenbohrung 13 das Hydraulikmittel direkt aus dem Hochdruckraum 20 in das Hydraulikmittel-Reservoir 25 entweichen kann, um so die Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 gezielt zu dämpfen.
Im Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise der oben beschriebenen autarken Spannvorrichtung 8 näher erläutert.
Die hier beschriebene erfindungsgemäße autarke Spannvorrichtung 8 wird bevorzugt für einen Kettentrieb 1 eines Verbrennungsmotors verwendet. Im Betrieb drückt der Spannkolben 14 der Spannvorrichtung 8 mittels der Vorspannung der Druckfeder 16 über die Kolbenstange 9 und den Endstopfen 15 der Kolbenstange 9 gegen den Andrückbereich 10 einer Spannschiene 6, um die Antriebskette 4 eines Kettentriebs 1 zu spannen. Bei einer Ausführung der Spannvorrichtung 8 als Riemenspanner drückt die Kolbenstange 9 über eine entsprechende Andrückrolle auf einen Antriebsriemen. Unabhängig von dem Einsatz der Spannvorrichtung 8 strömt bei einem Ausrücken des Spannkolbens 14 aus der Kolbenbohrung 13 das Hydraulikmittel aus dem Reservoir 25 über die Fluidzuführung 28 im Gehäuseboden 27 und das Rückschlagventil 19 in den Hochdruckraum 20, um das durch das Ausrücken des Spannkolbens 14 vergrößerte Volumen des Hochdruckraums 20 auszufüllen.
Bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 in den Hochdruckraum 20, wenn beispielsweise bei einer Schwingungsbewegung der Spannschiene 6 oder einer Andrückrolle ein Druck über den Endstopfen 15 und die Kolbenstange 9 mit dem Spannkolben 14 ausgeübt wird, wird diese Einfahrbewegung durch das im Hochdruckraum 20 sich befindende Hydraulikmittel gedämpft. Da das üblicherweise als Hydraulikmittel eingesetzte Motoröl des Verbrennungsmotors nicht durch das Rückschlagventil 19 in das Reservoir 25 zurückströmen kann, erhöht die Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 den Fluiddruck des Hydraulikmittels im Hochdruckraum 20. Bei einem ansteigenden Druck im Hochdruckraum 20 strömt das Hydraulikmittel durch den sehr schmalen und langen ringförmigen Leckspalt zwischen der Kolbenbohrung 13 und der Außenwandung des hohlzylindrischen Spannkolbens 14, der in der gezeigten Ausführungsform lediglich zwischen 5 μm und 30 μm beträgt. Dieser sehr schmale Leckspalt bewegt über den sehr geringen Volumenstrom, der über dem Leckspalt vom Hochdruckraum 20 in den Niederdruckraum 21 strömt, einen sehr hohen Widerstand gegen die Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 und damit nur eine sehr harte Dämpfung. Darüber hinaus ist die Dämpfung über den Leckspalt zwischen Spannkolben 14 und Kolbenbohrung 13 sehr abhängig von der Viskosität des Hydraulikmittels und damit auch von der Temperatur des Hydraulikmittels.
Zur hydraulischen Abstimmung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 8 und zur Erzielung einer möglichst viskositätsunabhängigen Dämpfung ist im Hochdruckraum 20 in der Seitenwandung der Kolbenbohrung 13 eine zusätzliche Drosselöffnung 37 vorgesehen, über die bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 das Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum 20 direkt in das Hydraulikmittel-Reservoir 25 entweichen kann. Über eine geeignete Dimensionierung der Drosselöffnung 37 ist ein Dämpfungsverhalten der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung 8 erreichbar, das im Wesentlichen unabhängig von der Viskosität des Hydraulikmittels ist. Dazu ist die Drosselöffnung 37 in der hier gezeigten Ausführungsform als Bohrung mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 mm bei einer Länge von 0,5 bis 2,0 mm ausgebildet.
Die Anordnung der Drosselöffnung 37 in der Seitenwand der Kolbenbohrung 13 und in einem Abstand zum Boden der Kolbenbohrung 13 ermöglicht darüber hinaus eine sogenannte Endlagendämpfung des Spannkolbens 14. Sobald der Spannkolben 14 bei einer Einfahrbewegung über einen kritischen Endlagenpunkt, der durch die Position der Drosselöffnung 37 bestimmt wird, hinaus bewegt, verdeckt die Außenwandung des Spannkolbens 14 die Drosselöffnung 37, so dass bei einer weiteren Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 in die Kolbenbohrung 13 nur noch die harte Dämpfung des Leckspalts zwischen Kolbenbohrung 13 und Spannkolben 14 wirksam und die weitere Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 stärker gedämpft ist. Dadurch wird insbesondere ein Klappern oder Schlagen der Antriebskette 4 in einem eingefahrenen Zustand des Spannkolbens 14 vermindert.
Bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 in die Kolbenbohrung 13 strömt das Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum 20 über den Leckspalt zwischen Kolbenbohrung 13 und Spannkolben 14 in den Niederdruckraum 21 und von dort über den Verbindungskanal 24 in das Hydraulikmittel-Reservoir 25 sowie über die Drosselöffnung 37 in der Seitenwand der Kolbenbohrung 13 direkt aus dem Hochdruckraum 20 in das Hydraulikmittel-Reservoir 25, wodurch sich das Volumen des Hydraulikmittels im Reservoir 25 erhöht. Das sich erhöhende Volumen des Hydraulikmittels im Reservoir 25 drückt auf die durch den Ausgleichskolben 32 und die Schraubenfeder 33 leicht vorgespannte elastische Membran 31 und bewegt diese Reservoirwand nach außen in den Hohlkörper 30 der Volumenausgleichseinrichtung 29. Da die Querschnittsfläche der in das Gehäuse 11 der Spannvorrichtung 8 einfahrenden Kolbenstange 9 kleiner ist als die Querschnittsfläche des in den Hochdruckraum 20 einfahrenden Spannkolben 14 muss die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung 29 nur das von der Kolbenstange 9 verdrängte Volumen ausgleichen, da sich bei einer Verkleinerung des Hochdruckraums 20 gleichzeitig das Volumen des Niederdruckraums 21 erhöht im Verhältnis der Differenz der Querschnittsfläche der Kolbenbohrung 13 abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenstange 9 dividiert durch die Querschnittsfläche der Kolbenbohrung 13. Entsprechend kann ein relativ kleiner Hub der beweglichen Reservoirwand einen relativ großen Bewegungshub der Kolbenstange 9 bzw. des Spannkolbens 14 ermöglichen. Dieses Verhältnis verbessert sich mit einem Anstieg der wirksamen Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand, hier der elastischen Membran 31, der Volumenausgleichseinrichtung 29. Der gesamte Bewegungshub des Spannkolbens 14 ist in 2 durch die Abstandspfeile zwischen dem Boden der Kolbenbohrung 13 und dem Spannkolben 14 sowie zwischen dem Spannkolben 14 und dem Stopfen 22 abgebildet.
Die Volumenausgleichseinrichtung 29 der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung 8 besitzt einen unteren Anschlag 35 und einen oberen Anschlag 36, die gemeinsam eine zu hohe Belastung der elastischen Membran 31 verhindern. Darüber hinaus regulieren die Anschläge 35, 36 den Hydraulikmittelinhalt des Reservoirs 25. Falls im Betrieb das Volumen des Hydraulikmittels durch Verluste sinkt, kann die elastische Membran 13 die Volumenänderungen ggf. nicht mehr vollständig ausgleichen, so dass bei einer Ausfahrbewegung des Spannkolbens 14 der Druck im Hydraulikmittel-Reservoir 25 und im damit verbundenen Niederdruckraum 21 unter den Umgebungsdruck sinkt, üblicherweise Atmosphärendruck, kann die autarke Spannvorrichtung 8 zwischen der Stangendichtung 23 und der Kolbenstange 9 Hydraulikmittel in den Niederdruckraum 21 einsaugen und fehlendes Hydraulikmittel ausgleichen. Sollte die Spannvorrichtung 8 jedoch zu viel Hydraulikmittel ansaugen, würde der Druck des Hydraulikmittels im Reservoir 25 und dem Niederdruckraum 21 bei einem Anschlag des Ausgleichskolbens 25 am unteren Anschlag 35 deutlich gegenüber dem Umgebungsdruck ansteigen und Hydraulikmittel würde zwischen Kolbenstange 9 und Stangendichtung 23 entweichen.
Der Ausfahrbewegung des Spannkolbens 14 bzw. der Kolbenstange 9 aus der autarken Spannvorrichtung 8 erfolgt über die Vorspannung der Druckfeder 16 im Hochdruckraum 20. Sobald am Endstopfen 15 der Kolbenstange 9 keine äußere Kraft mehr anlegt, drückt die Druckfeder 16 den Spannkolben 14 zusammen mit der Kolbenstange 9 in Richtung des offenen Endes der Kolbenbohrung 13, d. h. in Spannrichtung. Durch die Ausfahrbewegung des Spannkolbens 14 sinkt im Hochdruckraum 20 der Innendruck des Hydraulikmittels, so dass sich das Rückschlagventil 19 am Boden der Kolbenbohrung 13 öffnet und Hydraulikmittel aus dem Reservoir 25 in den Hochdruckraum 20 nachströmen lässt. Die Ausfahrbewegung des Spannkolbens 14 bzw. der Kolbenstange 9 erfolgt daher ohne Dämpfung.
Bei der Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens 14 entsteht über den Druckabbau am Drosselspalt zwischen Kolbenbohrung 13 und Spannkolben 14 sowie an der Drosselöffnung 37 Wärme, die an das Hydraulikmittel und die umgebenden Komponenten der Spannvorrichtung 8 abgegeben wird. Bei einer intensiven Dämpfung eines Kettentriebs erwärmt sich mit dem Hydraulikmittel die gesamte autarke Spannvorrichtung B. Da sich bei der vorliegenden Konstruktion einer autarken Spannvorrichtung 8 ein großer Teil des Hydraulikmittel-Reservoirs 25 im Flanschbereich 26 des Gehäuses 11 befindet, kann die durch die Dämpfung der Einfahrbewegung entstehende Wärme über das Hydraulikmittel und die große Kontaktfläche des Flanschbereichs 26 zum Motorbauteil 7 abgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Steuerkettenantrieb
2: Nockenwellenkettenrad
3: Kurbelwellenkettenrad
4: Steuerkette
5: Führungsschiene
6: Spannschiene
7: Motorbauteil
8: autarke Spannvorrichtung
9: Kolbenstange
10: Andrückbereich
11: Gehäuse
12: Befestigungsmittel
13: Kolbenbohrung
14: Spannkolben
15: Endstopfen
16: Druckfeder
17: Stirnseite
18: Hydraulikmittelkanal
19: Rückschlagventil
20: Hochdruckraum
21: Niederdruckraum
22: Stopfen
23: Stangendichtung
24: Verbindungskanal
25: Reservoir
26: Flanschbereich
27: Gehäuseboden
28: Fluidzuführung
29: Volumenausgleichseinrichtung
30: Hohlkörper
31: elastische Membran
32: Ausgleichskolben
33: Schraubenfeder
34: Hülse
35: unterer Anschlag
36: oberer Anschlag
37: Drosselöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008016654 A1 [0005]

Claims

Eine autarke Spannvorrichtung (8), insbesondere für eine Antriebskette (4) eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse (11), einem in einer Kolbenbohrung (13) des Gehäuses (11) verschiebbar geführten Spannkolben (14), wobei in der Kolbenbohrung (13) ein Hochdruckraum (20) und ein Niederdruckraum (21) für ein Hydraulikmittel ausgebildet sind und der Spannkolben (14) den Hochdruckraum (20) von dem Niederdruckraum (21) trennt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reservoir (25) für das Hydraulikmittel und eine Volumenausgleichseinrichtung (29) vorgesehen sind, wobei das Reservoir (25) in Fluidverbindung mit dem Niederdruckraum (21) steht und die Volumenausgleichseinrichtung (29) in Form einer beweglichen Reservoirwand ausgebildet ist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenausgleichseinrichtung (29) einen federbelasteten Ausgleichskolben (32) zur Vorspannung und Rückstellung der beweglichen Reservoirwand aufweist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenausgleichseinrichtung (29) einen oberen Anschlag (36) und einen unteren Anschlag (35) für den federbelasteten Ausgleichskolben (32) aufweist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung (29) als eine elastische Membran (31) ausgebildet ist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (25) zumindest teilweise in dem Gehäuse (11) ausgebildet ist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannkolben (14) eine Kolbenstange (9) aufweist die auf der Spannseite des Spannkolbens (14) angeordnet ist, wobei die Kolbenstange (9) sich durch den Niederdruckraum (21) erstreckt und stirnseitig aus dem Gehäuse (11) austritt.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) stirnseitig mit einem Stopfen (22) versehen ist, wobei sich die Kolbenstange (9) durch den Stopfen (22) erstreckt.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand größer ist als die Differenz der Querschnittsfläche der Kolbenbohrung (13) abzüglich der Querschnittsfläche der Kolbenstange (9).
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Kolbenstange (9) zwischen 1% und 50%, bevorzugt zwischen 3% und 30%, insbesondere zwischen 5% und 15%, der wirksamen Ausgleichsfläche der beweglichen Reservoirwand beträgt.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckraum (20) und dem Reservoir (25) ein Rückschlagventil (19) vorgesehen ist, um den Hochdruckraum (20) mit Hydraulikmittel aus dem Reservoir (25) zu versorgen.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochdruckraum (20) und dem Reservoir (25) eine Drosselöffnung (37) vorgesehen ist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselöffnung (37) in einer Seitenwandung des Gehäuses (11) angeordnet und mittels des Spannkolbens (14) verschließbar ist.
Die autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckunterschied des Hydraulikmittels im Niederdruckraum (21) und dem Reservoir (25) zum Atmosphärendruck zwischen –0,2 bar und 2,0 bar beträgt.
Kettentrieb (1) für einen Verbrennungsmotors, mit einem Antriebskettenrad (3), mindestens einem Abtriebskettenrad (2), einer das Antriebskettenrad (3) und das mindestens eine Abtriebskettenrad (2) miteinander verbindenden Antriebskette (4) und einer die Antriebskette (4) spannenden autarken Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.