DE69908875T2

DE69908875T2 - Hydraulische Spannvorrichtung mit externem Klinkenwerk mit Spielbeschränkung

Info

Publication number: DE69908875T2
Application number: DE69908875T
Authority: DE
Inventors: Todd K Preston; Roger T Simpson
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: ES2201638T3; EP0989327A2; EP0989327A3; EP0989327B1; US6120402A; JP2000136857A; DE69908875D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Kettenspannvorrichtung mit einem externen Rackglied. Genauer gesagt hat die hydraulische Spannvorrichtung der vorliegenden Erfindung ein externes Rackglied, das die maximale Kolbenbewegung begrenzt und Spiel begrenzt oder einschränkt.
Hydraulische Spannvorrichtungen finden in typischer Weise als Steuervorrichtung für einen Kettenantrieb in einem Steuersystem von Kraftfahrzeugen Verwendung. Die Spannung in der Kette kann infolge von großen Temperaturschwankungen und der linearen Ausdehnung der verschiedenen Teile des Motors stark variieren. Darüber hinaus kann ein Verschleiß der Kettenkomponenten während eines langen Gebrauchs zu einer Abnahme der Spannung der Kette führen. Eine hydraulische Spannvorrichtung dient dazu, das Spiel in der Kette oder dem Riemen, die bzw. der die Nockenwellen mit der Kurbelwelle des Steuersystems des Motors verbindet, aufzunehmen. Der Kolben der Spannvorrichtung muß in der Lage sein, nach außen zu fahren, wenn die Kette aufgrund höherer Motordrehzahlen gespannt ist, und nach innen zu fahren, wenn die Kettenbelastung bei niedrigeren Motordrehzahlen abnimmt. Die Kolbenbewegung von der Leerlaufdrehzahl bis zur maximalen Motordrehzahl reicht für die meisten Motoren mit oben liegender Nockenwelle von 1 bis 4 mm.
Eine typische hydraulische Spannvorrichtung umfaßt ein Gehäuse mit einer Bohrung, einen von einer Feder in einer aus der Bohrung vorstehenden Richtung vorgespannten Kolben und eine vom hohlen Kolben und der Bohrung gebildete Strömungsmittelkammer. Ein Rückschlagventil ist ebenfalls in der hydraulischen Spannvorrichtung vorhanden, um einen Strömungsmittelzufluß von einer Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmittels in einen Speicher oder von einem Ölzuführkanal in die Strömungsmittelkammer zu ermöglichen, während eine Rückwärtsströmung in der umgekehrten Richtung verhindert wird. Die Kraft der Kette gegen den Kolben in Einwärtsrichtung wird durch die Widerstandskraft des Strömungsmittels und die Kraft der Feder in Auswärtsrichtung ausgeglichen.
Eine typische hydraulische Spannvorrichtung besitzt normalerweise eine rückkehrblockierende Funktion, bei der sich der Kolben in einfacher Weise in eine Richtung, jedoch mit größeren Schwierigkeiten in der umgekehrten Richtung bewegt. Wenn der Motor gestartet wird, wird der Ölversorgungsdruck für die Spannvorrichtung um einige Sekunden verzögert. Während dieser Zeit kann die Spannvorrichtung nicht genug Öl aufweisen, um die Strömungsmittelkammer aufzufüllen. Als Folge davon kann der Kolben durch die Kettenbewegung bis zum Boden der Bohrung der Spannvorrichtung gedrückt werden. Damit wird keine geeignete Belastung auf der Kette aufrechterhalten, und es können Geräusche erzeugt werden. Ferner kann der Kolben in seiner untersten Position sogar ein Überspringen eines Zahnes auf den Kettenrädern der Kurbelwelle oder Nockenwelle durch die Kette zulassen.
Ein Beispiel einer Spannvorrichtung mit einer rückkehrblockierenden Funktion ist in der US-A-3 802 286 gezeigt. Der Kolben dieser Spannvorrichtung besitzt ein spiralförmiges Rackglied auf der Innenwand der Bohrung, um die Rückbewegung zu begrenzen und ein Zurückziehen des Kolbens zu verhindern. Ein weiteres Beispiel einer Spannvorrichtung mit einer rückkehrblockierenden Funktion gemäß der US-A-3 812 733 besitzt ein Sperrklinkensystem mit Nuten auf der Außenseite eines Kolbens und einem Anschlag mit einer Feder, um eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Kolbens zu verhindern. In entsprechender Weise beschreibt die US-A-4 713 043 Nuten auf der Außenseite des Kolbens mit einer federbelasteten Fangvorrichtung.
Das Rack- oder rückkehrblockierende System muß ferner ein gewisses Spiel oder eine begrenzte Rückwärtsbewegung des Kolbens ermöglichen. Gemäß der US-A-4 792 322 wird das Problem eines unzureichenden Spieles dadurch gelöst, daß ein internes Ring- und Nutsystem vorgesehen wird. Ein zusätzlicher Ring und eine zusätzliche Nut dienen darüber hinaus dazu, den Kolben während des Transportes an Ort und Stelle zu halten. Dieses System ist jedoch teuer, da die Nuten sowohl auf der Innenseite der Bohrung der Spannvorrichtung als auch auf der Außenseite des Kolbens vorgesehen sein müssen.
Die US-A-4 822 320 beschreibt ferner ein Antispielrackglied mit Nuten, die in die Außenseite des Kolbens eingearbeitet sind. Eine Sperrklinke ist schwenkbar mit einem Gehäuse verbunden, um ein positives Spiel zu ermöglichen. Dieses Sperrklinkensystem wird auch in der US-A-4 874 352 vorgeschlagen, bei dem die Sperrklinke von einer Feder gelagert wird, und in der US-A- 5 006 095, bei dem die Anzahl der Zähne an der Sperrklinke der n-fachen Zahl der Zähne auf dem Rackglied entspricht. In der US-A-5 073 150 ist der Sperrklinkenmechanismus der US-A-4 822 320 mit einer anderen Spannvorrichtung beschrieben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sperrklinkenmechanismus ist in der US-A-5 304 099 offenbart. Dieser Sperrklinkenmechanismus besitzt Nuten an der Außenseite eines Kolbens und einen Sperrplungerkolben, der von einer Feder vorgespannt wird. Die Sperrklinke wird während eines Normalbetriebes ausgerückt und während einer betriebsfreien Zeit eingerückt, um die Spannvorrichtung in einer Betriebsstellung zu halten.
Ein Beispiel eines Mechanismus, der die Bewegung einer Wellenvorrichtung beschränkt, ist in der US-A-5 004 448 beschrieben. Ein Abschnitt einer Spirale kontaktiert eine Zugstange. Die Spirale wirkt als Reibbremse, indem sie eine Vergrößerung des Durchmessers des Abschnittes der Spirale bewirkt, um ein Vorrücken der Stange zu verhindern, oder ein Schrumpfen des Durchmessers dieses Abschnittes, um die Stange von der Spannvorrichtung freizugeben.
Die US-A-5 259 820 beschreibt ein internes Sperrklinkensystem, das im Montageraum angeordnet ist und aus einem Zylinder mit zwei schraubenförmig gewundenen Öffnungen konstruiert ist. Der Kolben tritt mit den schraubenförmigen Öffnungen in Eingriff, wenn der Kolben mit einer ausreichend großen Kraft beaufschlagt wird, um nach innen gedrückt zu werden. Als Folge davon spannt diese Spannvorrichtung die Kette, wenn der in der Spannvorrichtung vorhandene Strömungsmitteldruck niedrig ist.
Die EP 0 106 325 als nächstkommender Stand der Technik beschreibt eine andere Spannvorrichtung, bei der eine Vielzahl von Nuten mit einem Sägezahnprofil in der Außenseite des Kolbens ausgebildet ist. Ein externes Rackglied, das in einer axial verlaufenden Nut angeordnet ist, die im Gehäuse der Spannvorrichtung ausgebildet ist, besitzt ein oberes ausfahrendes Element, das mit den Nuten im Kolben in Eingriff tritt, um einen rückkehrblockierenden Mechanismus zu bilden, und ein unteres ausfahrendes Element, das mit dem unteren Ende des Gehäuses in Eingriff tritt, um eine Axialbewegung des Rackgliedes zu verhindern. Eine Blattfeder ist an der Außenseite des Gehäuses montiert, überlagert die Nut und steht mit dem Rackglied in Eingriff, um das ausfahrende Element gegen den Kolben und in Kontakt mit den Kolbennuten vorzuspannen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein externes Rackglied vorgesehen, um für Spannung während Bedingungen niedrigen Drucks zu sorgen. Ein Antispielmerkmal ermöglicht dem Kolben, sich um einige mm mehr zurückzubewegen als die mittlere Kolbenstellung, wenn der Motor läuft. Ein radial ausfahrendes Element des externen Rackgliedes gleitet in einer Reihe von Schlitzen oder Nuten, die entlang der Außenfläche des Kolbens ausgebildet sind, vor und zurück, während ein Federelement das externe Rackglied gegen den Kolben vorspannt.
Erfindungsgemäß wird eine hydraulische Spannvorrichtung zur Verfügung gestellt, die umfaßt: ein Gehäuse mit einer Bohrung; einen hohlen Kolben, der in der Bohrung gleitend gelagert ist, wobei der Kolben mit der Bohrung eine Strömungsmittelkammer bildet und mehrere Nuten hat, die längs der Außenseite des Kolbens gebildet sind; ein externes Rackglied, das radial außerhalb des Kolbens angeordnet ist, wobei das externe Rackglied ein oberes und ein unteres Ende sowie ein dazwischen liegendes Seitenteil hat, das externe Rackglied ein ausfahrendes Teil hat, das an dem oberen Ende des Rackgliedes angeordnet ist, das ausfahrende Teil so ausgebildet und angeordnet ist, daß es die Nuten entlang der Außenseite des Kolbens berührt, um den Kolbenhub in axialer Richtung zu begrenzen, und das externe Rackglied ein Endstück hat, das an dem besagten unteren Ende angeordnet ist; ein Federglied, das das Seitenstück des externen Rackgliedes umgibt, wobei das ausfahrende Teil von dem Federglied normalerweise in Richtung auf den Kolben vorgespannt wird, um die Kolbennuten zu berühren; und eine Kolbenfeder, die den Kolben von der Bohrung aus in Auswärtsrichtung vorspannt; dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil zwischen der Kammer und einer Druckmittelquelle angeordnet ist, um eine Strömung in die Kammer hinein zu ermöglichen, während es eine Strömung in der umgekehrten Richtung sperrt; und daß das untere Endstück des externen Rackgliedes in eine Nut greift, die in dem Gehäuse gebildet ist und axial teilweise entlang der Außenseite des Gehäuses verläuft, wobei das untere Endstück längs der Nut axial gleitbar ist, wodurch das Rackglied relativ zum Gehäuse bis zu einem gewissen Grad axial beweglich ist.
Bei dem Federglied kann es sich um eine in sich geschlossene ringförmige Schraubenfeder oder ein entsprechendes elastisches Element handeln, die bzw. das um die Außenseite des radial ausfahrenden Teiles gewickelt ist und das ausfahrende Element in Richtung auf die Nuten vorspannt, die sich auf der Außenseite oder Außenfläche des Kolbens befinden.
Die Spannvorrichtung besitzt ferner vorzugsweise ein Kolbenrückhaltemerkmal, das die maximale Auswärtsbewegung des Kolbens begrenzt. Nachdem das radial ausfahrende Teil am Rackglied die letzte Nut am Kolben passiert hat, setzt sich das ausfahrende Element in einer abgestuften Nut. Als Folge davon wird keine weitere Auswärtsbewegung des Kolbens zugelassen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nunmehr anhand von einigen Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht der hydraulischen Spannvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht der Spannvorrichtung von Fig. 1 entlang Linie 2-2, wobei die Lage des externen Rackgliedes gezeigt ist;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Spannvorrichtung der Fig. 1;
Fig. 4 eine Schnittansicht der hydraulischen Spannvorrichtung von Fig. 3 entlang Linie 4-4;
Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der hydraulischen Spannvorrichtung von Fig. 1;
Fig. 6 einen Abschnitt der Schnittansicht von Fig. 2, der die Einzelheiten des externen Rackgliedes zeigt;
Fig. 7 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer Spannvorrichtung mit dem externen Rackglied der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des externen Rackgliedes der Spannvorrichtung der Fig. 7;
Fig. 9 eine Schnittansicht entlang Linie 9-9 in Fig. 10; und
Fig. 10 eine Draufsicht des externen Rackgliedes der Fig. 8.
Fig. 1 zeigt die hydraulische Spannvorrichtung 10, die ein Gehäuse 20, einen Haltestift 5 und ein externes Rackglied 3, das entlang der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist, aufweist. Wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt, bildet eine Bohrung 15 im Gehäuse 2Q der Spannvorrichtung mit dem Inneren des hohlen Kolbens 2 eine Strömungsmittelkammer. Die Strömungsmittelkammer 22 wird mit Strömungsmittel von einer Quelle 25 eines unter Druck stehenden Strömungsmittels durch einen Kanal 24 gefüllt. Bei der Strömungsmittelquelle kann es sich um eine Ölpumpe oder um einen Speicher handeln.
Die vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Kammer enthält einen hohlen Kolben 2, der ebenfalls vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist. Die Außenseite des Kolbens 2 besitzt diverse Nuten 11 oder Stufen, die einstückig mit dem Kolben ausgebildet sind. Die Nuten 11 bilden ein Kolbenrackglied, das mit einem ausfahrenden Teil 12 auf dem externen Rackglied 3 in Kontakt tritt, wenn sich der Kolben vom Gehäuse nach außen bewegt. Eine Entlüftungsscheibe 8 ist im oberen Ende des Innenraumes des Kolbens angeordnet, und eine Kolbenfeder 4 kontaktiert die Entlüftungsscheibe 8 und den Kolben, um den Kolben 2 in einer vorstehenden oder nach außen gerichteten Richtung vorzuspannen.
Durch Einsetzen einer Klemme 5 durch eine Öffnung 28 im Kolben und eine entsprechende Öffnung 29 im Gehäuse wird der Kolben auf sichere Weise in einer innersten Installationsposition gehalten. Von diesem Merkmal wird während des Transportes des Kolbens Gebrauch gemacht. Die Klemme 5 wird bei der Installation im Motor entfernt.
Nachdem die Spannvorrichtung installiert und die Installationsklemme 5 entfernt worden ist, wird der Kolben während der Betriebsaufnahme der hydraulischen Spannvorrichtung durch die Kraft der Kolbenfeder am Kolben nach außen gedrückt. Infolge der über das Rückschlagventil 21 ausgebildeten Druckdifferenz dringt Strömungsmittel durch die Kanäle 23 und 24 ein und strömt durch das Rückschlagventil in die Kammer 22, während Luft zum oberen Ende der Kammer 22 gedrückt wird. Die Kammer 22 wird weiterhin mit Strömungsmittel gefüllt, bis die von der Kette (nicht gezeigt) in Einwärtsrichtung auf den Kolben 2 ausgeübte Kraft durch die Kraft der Feder 4 und die Widerstandskraft des Strömungsmittels in der Kammer 22 ausgeglichen ist.
Das Rückschlagventil 21 ist zwischen der Kammer 22 und der Quelle des unter Druck stehenden Strömungsmittels vorgesehen, um einen Strömungsmittelfluß in die Kammer 22 zu ermöglichen und einen Strömungsmittelfluß in umgekehrter Richtung zu blockieren. Das Rückschlagventil 21 besitzt eine Kugel 7, einen Kugelhalter 6 und eine Feder 9. Die Feder 9 spannt die Kugel 7 gegen den vom Kanal 24 gebildeten Sitz vor.
Fig. 3 zeigt das obere Ende der Spannvorrichtung 10, und Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der Spannvorrichtung 10 entlang Linie 4-4 in Fig. 3. Fig. 5 zeigt die separaten Teile der Spannvorrichtung 10.
Das externe Rackglied 3 der vorliegenden Erfindung ist im Detail in Fig. 6 gezeigt. Es umfaßt ein ausfahrendes Teil 60, das eine Oberseite 62 und eine Unterseite 64 aufweist. Das ausfahrende Teil 60 ist einstückig mit einem Seitenteil 66 verbunden, das von einem ringförmigen Schraubenfederband 68 gegen das Gehäuse 20 der Spannvorrichtung gehalten wird. Das ausfahrende Element 60 erstreckt sich über eine Strecke "D" in Axialrichtung, gemessen über die Strecke zwischen der Oberseite 62 und der Unterseite 64.
In Fig. 6 ist das ausfahrende Element 60 in der Nut 70 gezeigt, die von einer keilförmigen Rippe 72 und einer keilförmigen Rippe 74 gebildet wird. Am unteren Ende des Kolbens ist eine abgestufte Nut, die in Fig. 6 als Nut 78 dargestellt ist, vorgesehen, um das ausfahrende Element zu halten und jede weitere Auswärtsbewegung des Kolbens in Axialrichtung zu verhindern.
Das Seitenteil 66 des externen Rackgliedes 3 besitzt ein unteres Ende 80, das ebenfalls eine Oberseite 82 und eine Unterseite 84 aufweist. Das untere Ende 80 bewegt sich axial in der Nut 86 des Gehäuses 20. Die untere Grenze der Axialbewegung des unteren Endes 80 wird von der Fläche 88 der Nut 86 gebildet. In entsprechender Weise wird die obere Grenze der Axialbewegung des unteren Endes 80 von der Fläche 90 der Nut 86 gebildet.
In Betrieb ermöglicht eine solche begrenzte Bewegung des unteren Endes 80 des Rackgliedes 3 in der Nut 86 des Gehäuses eine begrenzte Rückwärtsbewegung des Gleitteiles 66 und somit des Kolbens relativ zum Gehäuse, so daß ein begrenztes Spiel oder ein begrenzter Rückantrieb zugelassen wird.
Eine geringfügig modifizierte Ausführungsform, die viele entsprechende Merkmale besitzt, ist in den Fig. 7, 8, 9 und 10 dargestellt. Eine perspektivische Ansicht des externen Rackgliedes 100 zeigt Fig. 8. Das Rackglied ist aus mehreren Teilen geformt. Das in den Fig. 8, 9 und 10 gezeigte Teil erstreckt sich über einen Bogen von 120º. Bei der Ausführungsform der Fig. 7 sind die drei Teile mit einer Feder 102 zusammengebaut und werden von dieser zusammengehalten. Die Feder bildet ein zylindrisches Teil. Die Feder und das externe Rackglied werden über einen Schraubstift 106 im Gehäuse 104 der Spannvorrichtung gehalten.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform gleitet der Kolben 110 innerhalb einer Bohrung oder Hülse 112. Das ausfahrende Teil 114 des Rackgliedes 100 gleitet in den Nuten 116, die auf der Seite des Kolbens ausgebildet sind. Das ausfahrende Teil 114 besitzt eine Oberseite 118 und eine Unterseite 120. Die Unterseite 120 steht mit dem Seitenteil 122 über einen abgewinkelten Abschnitt 124 in Verbindung. Das Federelement 102 drückt gegen einen ausgenommenen Abschnitt 126 in der Außenseite des Seitenteiles 124.
In Betrieb wird ein Spiel oder Rücktrieb des Kolbens durch den Raum in den zwischen den keilförmigen Rippen ausgebildeten Nuten 116 begrenzt. Wenn der Kolben vom Gehäuse weiter nach außen gedrückt wird, gleitet das ausfahrende Teil 114 über die folgende keilförmige Rippe oder den folgenden Kolbenrackabschnitt und wird dann in der nächsten Nut gehalten. Eine abgestufte Nut 130 ist so ausgebildet, daß das ausfahrende Element 114 in der abgestuften Nut eingefangen wird und den Kolben 110 daran hindert, das Gehäuse der Spannvorrichtung zu verlassen. Hierdurch wird eine obere Begrenzung der Kolbenbewegung erreicht.

Claims

1. Hydraulische Spannvorrichtung (10) mit:

einem Gehäuse (20; 112), das eine Bohrung (15) hat;

einem hohlen Kolben (2; 110), der in der Bohrung (15) gleitend gelagert ist, wobei der Kolben mit der Bohrung (15) eine Strömungsmittelkammer (22) bildet und mehrere Nuten (11; 116) hat, die längs der Außenseite des Kolbens gebildet sind;

einem externen Rackglied (3; 100), das radial außerhalb des Kolbens angeordnet ist, wobei das externe Rackglied ein oberes und ein unteres Ende sowie ein dazwischen liegendes Seitenteil (66; 122) hat, das externe Rackglied ein ausfahrendes Teil (60; 114) hat, das an dem oberen Ende des Rackgliedes angeordnet ist, das ausfahrende Teil so ausgebildet und angeordnet ist, dass es die Nuten entlang der Außenseite des Kolbens berührt, um den Kolbenhub in axialer Richtung zu begrenzen, und das externe Rackglied ein Endstück (80; 80') hat, das an dem besagten unteren Ende angeordnet ist;

einem Federglied (68; 102), das das Seitenstück des externen Rackgliedes umgibt, wobei das ausfahrende Teil von dem Federglied normalerweise in Richtung auf den Kolben vorgespannt wird, um die Kolbennuten zu berühren; und

einer Kolbenfeder (4), die den Kolben von der Bohrung (15) aus in Auswärtsrichtung vorspannt;

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Rückschlagventil (21) zwischen der Kammer (22) und einer Druckmittelquelle (24) angeordnet ist, um eine Strömung in die Kammer (22) hinein zu ermöglichen, während es eine Strömung in der umgekehrten Richtung sperrt;

und dass das untere Endstück (80; 80') des externen Rackgliedes (3; 100) in eine Nut (86) greift, die in dem Gehäuse (20; 112) gebildet ist und axial teilweise entlang der Außenseite des Gehäuses verläuft, wobei das untere Endstück längs der Nut (86) axial gleitbar ist, wodurch das Rackglied relativ zum Gehäuse bis zu einem gewissen Grad axial beweglich ist.

2. Hydraulische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das externe Rackglied (100) aus mehreren Teilen gebildet ist, jedes der Teile des externen Rackgliedes ein ausfahrendes Teil (114) und ein Endstück (80') hat und die Teile des Rackgliedes um den Umfang des Kolbens (110) herum angeordnet sind.

3. Hydraulische Spannvorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Federglied (102) die Teile des externen Rackgliedes in sich gegenseitige berührende Beziehung zueinander vorspannt.

4. Hydraulische Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Federglied eine in sich geschlossene kreisringförmige Schraubenfeder ist, innerhalb einer Ausnehmung (126) des externen Rackgliedes (3; 100) angeordnet ist.

5. Hydraulische Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Kolben (2; 110) eine abgestufte Nut (78; 130) zum Kontaktieren des ausfahrenden Teils (60; 114) hat, um eine Position maximaler axialer Auswärtsbewegung Kolbens zu bilden.

6. Hydraulische Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Axialbewegungen des externen Rackgliedes in Auswärtsrichtung durch die Gehäusenut (86) begrenzt wird.