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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Riemenspanner, insbesondere für Spanner-Dämpfungs-Elemente für Zugmittel
in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem zur Umgebung abgedichteten
und mit einer ihre Viskosität änderbaren
Flüssigkeit
gefüllten
Gehäuse, einem
darin beweglich angeordneten, mit einem Schwingungserreger gekoppelten
Dämpfungselement,
welches so angeordnet ist, dass es bei Bewegung eine Strömung der
ihre Viskosität änderbaren Flüssigkeit
hervorruft, sowie mit einem mit einer in Abhängigkeit vom Bewegungszustand
des Dämpfungselementes
geregelten Spannungsquelle gekoppelten Aktivierungspaar zur Erzeugung
eines die Viskosität
der ihre Viskosität änderbaren
Flüssigkeit steuernden
Anregung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Derartige
Riemenspanner sind bei den im Stand der Technik bekannten Spannsystemen
mittels einer federbelasteten Reibscheibe (beispielsweise ein mechanischer
Spanner RSEMx) oder mittels eines Drosselspalts zwischen einem Zylinder
und einem Verdrängerkolben
(beispielsweise ein hydraulischer Spanner/hydraulisches Spannelement)
realisiert.
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Bekannte
Anwendungen von viskositätsveränderbaren
Flüssigkeiten
zur aktiven Schwingungsdämpfung
sind beispielsweise zu finden bei Stossdämpfern von Kraftfahrzeugen,
Trommellagern bei Waschmaschinen, im Bereich der Prothetik, beispielsweise
ein künstlicher
Kniegelenksdämpfer,
und bei der Federung von Fahrersitzen für Lastkraftwagen.
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In
der
DE 34 33 797 A1 ist
ein Riemenspanner offenbart, der aus einem verformbar gestalteten Gehäuse besteht,
an dem einerseits der Motor aufliegt, und dass andererseits an einer
Tragkonstruktion befestigt ist. Das Gehäuse ist nach außen vollständig abgedichtet
und durch eine rechtwinklig zur Belastungsrichtung angeordnete Wand
in zwei mit elektrorheologischer Flüssigkeit gefüllte Kammern unterteilt.
Beide Kammern sind durch einen Durchlass miteinander hydraulisch
verbunden. In diesem Durchlass ist ein Elektrodenpaar angeordnet,
das mit einer in Abhängigkeit
von der Motorschwingung gesteuerten Spannungsquelle gekoppelt ist.
In Abhängigkeit
von der Spannung an diesem Elektrodenpaar baut sich ein elektrisches
Feld auf, das die Viskosität der
elektrorheologischen Flüssigkeit
im Durchlass beeinflusst. Im Betrieb wird bei Belastung das Gehäuse einseitig
verformt, so dass Flüssigkeit
aus einer Kammer durch den Durchlass in die andere Kammer verdrängt wird.
Wird während
dieser Phase eine Spannung an das Elektrodenpaar angelegt, nimmt die
Zähigkeit
der Flüssigkeit
zu. In der Flüssigkeit wird
dann Energie in Wärme
umgewandelt, wodurch die Bewegung des Motors gedämpft wird. Der Durchlass mit
dem Elektrodenpaar wirkt in dieser Anordnung wie ein steuerbares
Ventil.
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Derartige
Motorlager sind durchaus geeignet, hochsensibel auf Schwingungen
zu reagieren und diese zu dämpfen.
Sein Anwendungsgebiet ist aufgrund des prinzipiellen Aufbaus mit
flexiblen Membranen jedoch beschränkt. Die heute bekannten Membranwerkstoffe
reagieren nämlich
sehr empfindlich auf ungünstige
Temperaturen und chemische Umgebungseinflüsse: Sie neigen dann zur vorzeitigen
Alterung und Versprödung.
Weiterhin dürfte
der Einsatz derartiger Riemenspanner auf kleine Schwingungsfrequenzen
und relativ große
Schwingungsamplituden begrenzt sein, da die verwendeten Membranen
in der Regel eine hohe Eigensteifigkeit besitzen.
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Spanner-Dämpfungs-Elemente
mit einem elektrorheologischen Dämpfer
sind ferner beispielsweise aus
DE 41 34 354 A1 bekannt geworden. Bei derartigen
Riemenspannern wird die erwähnte
physikalische Eigenschaft elektrorheologischer Flüssigkeiten
genutzt, die ihre Viskosität
in Abhängigkeit
von einem anliegenden elektrischen Feld schlagartig ändern.
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Bei
diesem Schwingungsdämpfer
für einen Riemenspanner
ist in einem Gehäuse
ein mit einem Schwingungserreger gekoppeltes Dämpfungselement so angeordnet
und in elektrorheologische Flüssigkeit
eingetaucht, dass bei einer Bewegung alleine der Form- und der Reibungswiderstand
wirksam sind. Spalt- und
Verdrängungsströme sind
vermieden. Ein Elektrodenpaar, das mit einer in Abhängigkeit
von der Bewegung des Schwingungserregers gesteuerten Spannungsquelle
verbunden ist, ist so angeordnet, dass das Dämpfungselement wenigstens teilweise
im durch die Elektroden erzeugten Feld liegt. Beim Anliegen einer
Spannung an den Elektroden erhöht
sich die Zähigkeit
der elektrorheologischen Flüssigkeit
im elektrischen Feld und damit der Reibungswiderstand des Dämpfungselementes. Beim
Abschalten der Spannung ist die Bewegung des Dämpfungselementes nahezu reibungsfrei. Durch
entsprechende Schaltungen der Spannungsquelle können Schwingungen des Schwingungserregers
richtungsabhängig
gedämpft
werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst Riemenspanner, wie sie in der
DE 41 34 354 A1 offenbart sind.
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Nachteilig
an dem Stand der Technik ist, dass sich bei einem hydraulischen
Spannelement mit dem Hydrauliköl
auch die Dämpfung
in Abhängigkeit von
der Temperatur und über
die Lebensdauer ändert.
Unvorteilhaft ist zudem, dass die Dämpfung nicht auf die je nach
Betriebszustand des Motors sich ändernden
dynamischen Anregungen reagiert.
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Bei
Anwendungen bekannter Spanner-Dämpfer-Elemente
sind bei der Auswahl der viskositätsveränderbaren Flüssigkeiten
die dort herrschenden Betriebstemperaturen zu berücksichtigen. Bislang
waren nur Flüssigkeiten
mit Temperaturbereichen von z.B. –10°C bis +70°C verfügbar, welches ein stark beeinträchtigendes
Kriterium für
deren Anwendung unter den bekannten Bedingungen in einem Kraftfahrzeugmotorraum
gewesen ist.
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Die
Nachteile aus dem Stand der Technik zeigen auf, dass die Temperaturbeständigkeit
der viskositätsveränderbaren
Flüssigkeit
stark ausschlaggebend für
die Eignung bzw. Nichteignung derselben in Spanner-Dämpfungs-Elementen
für Riementriebe
von Verbrennungsmotoren ist. Bei Nichtverfügbarkeit einer entsprechenden
Flüssigkeit kann
das Dämpfungsprinzip
für eine
Anwendung an Verbrennungsmotoren nicht realisiert werden.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Riemenspanner bereitzustellen,
welcher in einem breiten Einsatzbereich und bei unterschiedlichen
Betriebsbedingungen anwendbar ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen von Patentanspruch
1, während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen
entnehmbar sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass magnetorheologische
Flüssigkeiten
hinsichtlich ihrer Eigenschaften eine Temperaturbeständigkeit über einen
großen
Temperaturbereich aufweisen.
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Die
Erfindung geht gemäß den Merkmalen des
Hauptanspruchs daher aus von einem Riemenspanner, insbesondere für Spanner-Dämpfungs-Elemente
für Zugmittel
in Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem zur Umgebung abgedichteten
und mit einer ihre Viskosität änderbaren
Flüssigkeit
gefüllten
Gehäuse,
einem darin beweglich angeordneten, mit einem Schwingungserreger
gekoppelten Dämpfungselement,
welches so angeordnet ist, dass es bei Bewegung eine Strömung der
ihre Viskosität änderbaren
Flüssigkeit
hervorruft, sowie mit einem mit einer in Abhängigkeit vom Bewegungszustand des
Dämpfungselementes
geregelten Spannungsquelle gekoppelten Aktivierungspaar zur Erzeugung eines
die Viskosität
der ihre Viskosität änderbaren Flüssigkeit
steuernden Anregung.
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Zudem
ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass die ihre Viskosität änderbare Flüssigkeit eine magnetorheologische
Flüssigkeit
mit hoher Temperaturbeständigkeit
ist.
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Durch
diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass ein solcher Riemenspanner
in einem breiten Einsatzbereich und bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen
anwendbar ist, zuverlässig
arbeitet und eine einfache Fertigung garantiert. Dadurch wird die Anwendung
derartiger Spanner-Dämpfungs-Elemente
für Riementriebsysteme
von Verbrennungsmotoren überhaupt
erst ermöglicht.
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Außerdem kann
vorgesehen sein, dass die Viskosität der magnetorheologischen
Flüssigkeit durch
die Anregung über
elektromagnetische Felder beeinflussbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt der Einsatztemperaturbereich
der magnetorheologischen Flüssigkeit
vorzugsweise im Bereich von –40°C bis +130°C.
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In
einer anderen Weiterbildung ist die magnetorheologische Flüssigkeit
mit einer Spannung von vorzugsweise im Bereich von 2V bis 24V und
einem Strom von vorzugsweise im Bereich von 1A bis 2A ansteuerbar.
Dadurch kann die magnetorheologische Flüssigkeit mit der in Fahrzeugen üblichen
elektrischen Bordspannung angesteuert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Einstellung der Viskosität
der magnetorheologischen Flüssigkeit über steer-by-wire,
also etwa über
ein im Fahrzeug vorhandenes Datenbus-Sytsem (z.B. CAN-Bus) mit in
eine Fahrzeugsteuerung integrierbar.
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In
einer anderen Ausprägung
der Erfindung ist eine nicht ganz auszuschließende temperaturabhängige und
alterungsbedingte Änderung
der Viskosität
der Flüssigkeit
mittels einer Kompensationseinrichtung kompensierbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Spanner-Dämpfungs-Element derartig
ausgebildet, dass es in Riementrieben oder Kettentrieben von Verbrennungsmotoren
als Teil eines Riemenspannsystems bzw. Kettenspannsystems anwendbar ist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Spanner für linear oder rotatorisch wirkende
Spannelemente genutzt wird.
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In
einer anderen Weiterbildung ist der Riemenspanner zur gezielten
und aktiven Beeinflussung von Schwingungen im Riementrieb und/oder
zur Beeinflussung des Geräuschverhaltens
des Zugmittels ausgebildet. Beispielsweise kann die Riemenvorspannung
reduziert werden, welches zu einer längeren Riemenlebensdauer führt und
eine höhere
Zuverlässigkeit
bereitstellt.
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Soweit
hier die Begriffe Riemenspanner bzw. Riemen genutzt wurden, sollen
diese auch Spannvorrichtungen mit anderem Umschlingungsmittel umfassen,
die gemäß den Merkmalen
der Erfindung ausgebildet sind. So ist eine Spannvorrichtung gemäß der Erfindung
auch für
einen Kettentrieb oder andere Zugmitteltriebe ausbildbar und mit
Vorteil nutzbar, weshalb derartige Ausführungsformen durch diese Erfindung
mit erfasst sind.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung an
einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Darin
zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein Spanner-Dämpfungs-Element
für Zugmittel
mit integriertem Riemenspanner,
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2 einen
Querschnitt gemäß Linie
II-II durch das Spanner-Dämpfungs-Element
in 1 und
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3 einen
Längsschnitt
durch einen weiteren Riemenspanner.
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Detaillierte
Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
ein Spanner-Dämpfungs-Element 1 für Zugmittel
wie Riemen, Ketten oder dergleichen in Brennkraftmaschinen mit einem
integrierten Dämpfungselement
eines Riemenspanners 2. Das Spanner-Dämpfungs-Element 1 besteht
aus einem Spannelement 3, das durch eine Feder 4 im
Sinne einer Erhöhung
der Spannung des Zugmittels, hier ein Riemen 5, vorgespannt
ist.
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Das
Spannelement 3 ist in dieser Ausführung als Spannarm 6 ausgebildet,
an dessen einen freiem Ende eine Rolle 7 drehbar gelagert
angeordnet ist und die mit ihrem Außenumfang an einem Riemen 5 anliegt.
Der Spannarm 6 ist am anderen Ende mit einer Welle 8 verbunden,
die drehbar mittels der Lager 9 in einem Gehäuse 10 gelagert
ist. Im Gehäuse 10 ist
eine als Spiralfeder ausgebildete Feder 4 so angeordnet
und abgestützt,
dass der Spannarm 6 entsprechend vorgespannt ist.
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Das
Gehäuse 10 ist
im Wesentlichen hohlzylindrisch und an seinen axialen Enden durch
einen Boden 11 bzw. einen Deckel 12 verschlossen
und durch die die Welle 8 umgebenden Dichtungen 13 abgedichtet.
Der Innenraum des Gehäuses 10 ist vollständig mit
magnetorheologischer Flüssigkeit
gefüllt.
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Mit
der Welle 8 drehfest verbunden und rechtwinklig zur Wellenachse
angeordnet sind zwei Dämpfungselemente 15 in
axialem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den beiden Dämpfungselementen 15 und
parallel zu diesen ist eine gehäusefeste,
ebenfalls als Scheibe ausgebildete Aktivierung 16 angeordnet.
Diese Aktivierung 16 regt die Viskosität der magnetorheologischen
Flüssigkeit über elektromagnetische
Felder an. Die Aktivierung 16 ist mittels einer Isolierung 17 gegenüber dem
Gehäuse 10 elektrisch
isoliert.
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Die
Dämpfungselemente 15 selbst
sind elektrisch leitend ausgebildet und werden direkt als Aktivierung
verwendet. Die Dämpfungselemente 15 und die
Aktivierung 16 sind elektrisch mit der Spannungsquelle 19 verbunden.
Die anliegende Spannung wird dabei abhängig von der Bewegung des Spannelementes 3 über die
als Blackbox dargestellte Steuerung 20 geregelt.
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In 2 ist
ein Querschnitt des Spanner-Dämpfungs-Elements
nach 1 entsprechend der dort eingetragenen Pfeile II
dargestellt. Zu erkennen ist in 2, dass
das Dämpfungselement 15 als segmentförmige Scheibe
ausgebildet ist, die in axialer Richtung die ebenfalls als segmentförmige Scheibe
ausgebildete Aktivierung 16 teilweise überdeckt. Die Dämpfungselemente 15 und
die Aktivierung 16 sind in dem genannten Stromkreis angeordnet
und bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von ihrer Überdeckung
in axialer Richtung abhängt.
Bei Verdrehung der Dämpfungselemente 15 kann
die Kapazitätsänderung
dieses Kondensators erfasst werden. Diese Kapazitätsänderung
ist ein Maß für die Bewegung
des Spannelementes 3 und kann folglich mittels der Steuerung 20 zur
Regelung der Spannungsquelle 19, bzw. der an den Aktivierungen
anliegenden Spannung verarbeitet werden.
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Die
Steuerung arbeitet in diesem Spanner-Dämpfungs-Element 1 so,
dass in den Betriebsphasen, in denen die Spannung im Riemen 5 durch den
Antrieb erhöht
wird, sich ein elektromagnetisches Feld zwischen den Dämpfungselementen 15 und
der Aktivierung 16 aufbaut, derart, dass die dort befindliche
elektrorheologische Flüssigkeit
ihre Zähigkeit
erhöht,
mit der Folge, dass sich der Reibungswiderstand der Dämpfungselemente 15 in
der Flüssigkeit
vergrö ßert. Die
durch die Spannungserhöhung
des Riemens 5 erzeugte Bewegung des Spannarmes 6 wird
damit wirkungsvoll gedämpft.
Im umgekehrten Fall, bei Spannungsverriegelung im Riemen, wird die
Spannungsquelle 19 abgeschaltet, wodurch sich das elektromagnetische
Feld zwischen den Aktivierungen abbaut, die Reibung der Dämpfungselemente 15 in
der magnetorheologischen Flüssigkeit
verringert sich und der Spannarm 6 über die Feder 4 ungedämpft dem
Riemen nachgeführt werden
kann.
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3 zeigt
einen Längsschnitt
einer anderen Ausführungsform
eines Dämpfungselementes
eines Riemenspanners 2. In einem hohlzylindrischen Gehäuse 21,
das an beiden axialen Enden durch einen Boden 22 bzw. eine
Deckplatte 23 verschlossen ist, ist ein Dämpfungselement 24,
welches mit einer das Gehäuse 21 durchdringenden
Kolbenstange 25 verbunden ist, längsverschieblich geführt. Die
Führung
erfolgt über
die Lager 26 der Kolbenstange 25. Die Kolbenstange 25 ist
mit einem hier nicht dargestellten Spannarm 6 einer Riemenspann-
und Dämpfungsvorrichtung
verbindbar.
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Das
Dämpfungselement 24 ist
als Aktivierung ausgeführt;
eine zweite hohlzylindrische Elektrode 27 ist an der Innenmantelfläche 28 des
Gehäuses 21 angeordnet.
Das Dämpfungselement 24 und die
Elektrode 27 sind mit einer in Abhängigkeit von der Bewegung des
Dämpfungselementes 24 gesteuerten
Spannungsquelle 29 verbunden. Beim Anlegen einer Spannung
an die Aktivierungen entsteht zwischen dem Außenumfang des Dämpfungselementes 24 und
dem Innenumfang der Aktivierung 28 ein elektromagnetisches
Feld. Da das Innere des Gehäuses 21 vollständig mit
magnetorheologischer Flüssigkeit gefüllt ist,
erhöht
sich dann die Zähigkeit
der magnetorheologischen Flüssigkeit
im Bereich der Aktivierungen. Der Reibungswiderstand des Dämpfungselementes 25 vergrößert sich
und seine Bewegung wird gedämpft.
Zur Verringerung des Formwiderstandes des Dämpfungselementes 24 sind
in diesem axiale Durchgangsbohrungen 30 vorgesehen.
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- 1
- Spanner-Dämpfungs-Element
- 2
- Dämpfungselement
eines Riemenspanners
- 3
- Spannelement
- 4
- Feder
- 5
- Riemen
- 6
- Spannarm
- 7
- Rolle
- 8
- Welle
- 9
- Lager
- 10
- Gehäuse
- 11
- Boden
- 12
- Deckel
- 13
- Dichtung
- 14
- Innenraum
- 15
- Dämpfungselement
- 16
- Aktivierung
- 17
- Isolierung
- 18
- Sicherungsring
- 19
- Spannungsquelle
- 20
- Steuerung
- 21
- Gehäuse
- 22
- Boden
- 23
- Deckplatte
- 24
- Dämpfungselement
- 25
- Kolbenstange
- 26
- Lager
- 27
- Hohlzylindrische
Aktivierung
- 28
- Innenmantelfläche
- 29
- Spannungsquelle
- 30
- Durchgangsbohrung