DE102007055664A1

DE102007055664A1 - Werkstoffmischung aus Polyamid-Polyethylen für Spannsysteme

Info

Publication number: DE102007055664A1
Application number: DE102007055664A
Authority: DE
Inventors: Bernd Hartmann; Thomas Rasche
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-05-28
Also published as: EP2222982A1; WO2009065716A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen insbesondere als Riementrieb ausgeführten Zugmitteltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Antriebsrad und zumindest ein Abtriebsrad, die über ein Zugmittel, insbesondere einen Riemen, verbunden sind. Zur Erzielung einer ausreichenden Vorspannung des Zugmittels ist ein Spannsystem (8a) mit integrierter Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Als Dämpfungseinrichtung dient ein aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellter, ortsfest positionierter Reibkonus (12), auf dem ein Schwenkarm (13), beaufschlagt durch eine Torsionsfeder (16), über eine Nabe (14) schwenkbar ist, wobei eine Aufnahme (15) der Nabe mit der Mantelkontur des Reibkonus (12) korrespondiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf einen Zugmitteltrieb, insbesondere ausgeführt als ein Riementrieb, der für eine Brennkraftmaschine bestimmt ist und eine Abtriebsrad sowie zumindest ein Antriebsrad aufweist. Der Zugmitteltrieb schließt weiterhin ein Spannsystem ein sowie zumindest ein Umlenk- oder Führungselement, wobei das Abtriebsrad und das Antriebsrad sowie alle mit dem Spannsystem oder dem Umlenk- oder Führungselement in Verbindung stehenden Riemenräder über ein Zugmittel, vorzugsweise einem Riemen verbunden sind.
Hintergrund der Erfindung
Zugmitteltriebe der zuvor genannten Ausführung werden in Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Hilfsaggregaten, wie beispielsweise Generator, Wasserpumpe, Klimakompressor oder Servopumpe eingesetzt. Ein weiterer, auch als Steuertrieb bezeichneter Zugmitteltrieb der Brennkraftmaschine ist zum Antrieb der Nockenwelle vorgesehen, über die Gaswechselventile der Brennkraftma schine betätigt werden. Beide Zugmitteltriebe schließen Zugmittel, insbesondere Riemen ein, die über alle dem Zugmitteltrieb zugeordneten Riemenscheiben bzw. Kettenräder geführt sind. Den Zugmitteltrieben der Brennkraftmaschine sind weiterhin Spannvorrichtungen sowie Umlenk- oder Führungselemente zugeordnet, die insbesondere als Umlenkrollen oder Führungsschienen ausgeführt sind, die eine Vorspannung des Zugmittels und damit einen weitestgehend schlupffreien Antrieb gewährleisten. Weiterhin schließen die Zugmitteltriebe Dämpfungsmaßnahmen ein, um den aufgrund der Drehungleichförmigkeit der Brennkraftmaschine verursachten ungleichmäßigen Antrieb zu dämpfen. Dazu sind den Zugmitteltrieben hydraulisch oder mechanisch wirkende Spannsysteme mit integrierter Dämpfungseinrichtung zugeordnet, über die beispielsweise eine Stellbewegung der mit dem Spannsystem in Verbindung stehenden Laufrolle wirksam gedämpft wird, was sich vorteilhaft hinsichtlich der Geräuschentwicklung und dem Verschleiß des Zugmitteltriebs auswirkt.
Aus der DE 696 10 811 T2 ist ein Zugmitteltrieb-Layout bekannt, bei dem das Zugmittel, ein Riemen, die Riemenscheiben der Kurbelwelle, einer Wasserpumpe sowie anderer Nebenaggregate einschließlich einer Umlenkrolle umschließt. Dem Dokument ist weiterhin der Aufbau eines Spannsystems für den Zugmitteltrieb mit integrierter Dämpfungseinrichtung zu entnehmen. Diese Einrichtung ist versehen mit einem zylindrisch gestalteten Reibelement, das federbelastet Stellbewegungen des Schwenkarms dämpft, der endseitig über eine Laufrolle mit dem Zugmittel in Verbindung steht. Der Schwenkarm ist über ein aus Kunststoff hergestelltes Gleitlager gegenüber dem ortsfesten Bauteil begrenzt drehbar.
Bei Zugmitteltriebe, die der Atmosphäre ausgesetzt sind und gleichzeitig ungeschmiert sind, werden den verwendeten Kunststoffen für trockenlaufende Gleitlager und Reibbeläge PTFE zugesetzt. Dieser Schmierstoff liegt in Form von kleinsten Lamellen, Plättchen oder Partikeln im Grundwerkstoff, insbesondere Polyamid vor. Bei der Herstellung dieser Bauteile entsteht beim Kunststoff-Spritzprozess eine Spritzhaut. Diese Spritzhaut bildet eine geschlossene Oberfläche des Fertigteils, wodurch der Festschmierstoff, das PTFE, unter der Haut eingeschlossen ist. Dadurch kommt die Wirkung des Trockenschmierstoffs (PTFE) erst dann zur Wirkung, wenn die Spritzhaut verschlissen ist. Folglich stellt sich eine nachteilige Geräuschentwicklung in der Einlaufphase dieser Spannsysteme ein.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Zugmitteltrieb Grundstoffe darzustellen, deren eingelagerte Trockenschmierstoffe von Beginn an im Betriebszustand wirksam sind.
Erfindungsgemäße Lösung
Die zuvor genannte Problemstellung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung sieht vor, dass zumindest einzelne verdrehbare, schwenkbare oder verschiebbare Bauteile des Spannsystems aus Polyamid-Polyethylenmaterialien oder einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung bestehen. Dieser für ein Gleit-, Reib-, Umlenk- oder Führungselement vorgesehene Werkstoff bzw. Werkstoffmischung, bei dem der Festschmierstoff chemisch gebunden ist, bewirkt das sich der Trockenschmierstoffs beim fertigen Bauteil auch an der Oberfläche des Bauteils anlagert. Dadurch verringert sich bzw. unterbleibt ein nachteiliger Einlaufeffekt, wodurch sich im Betriebszustand von Beginn an ein geräuschoptimiertes Spannsystem einstellt. Neben einem über die gesamte Lebensdauer konstanten Geräuschniveau nimmt die Werkstoffmischung gemäß der Erfindung keinen nachteiligen Einfluss auf das Dämpfungs- bzw. Schwingungsverhalten des Spannsystems.
Neben dem Gleit- oder Reibelement eines Spannsystems schließt die Erfindung weiterhin ein, auch übrige Bauteile des Zugmitteltriebs, beispielsweise eine Spannrolle bzw. Umlenkrolle sowie Führungs- bzw. Umlenkschienen aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung herzustellen. Damit sind alle mit einer Lagerung, Dämpfung oder Führung in Verbindung stehenden Bauteile des Zugmitteltriebs aus der erfindungsgemäßen Werkstoffmischung herstellbar, wodurch bereits in der Anlaufphase ein reibungsoptimierter Zugmitteltrieb, verbunden mit einem geringen Geräuschniveau realisierbar ist. Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Werkstoffmischung werden durch den chemisch in dem Werkstoff gebundenen Festschmierstoff erzielt, alternativ zu bisher verwendeten Tribowerkstoffen, bei denen der Festschmierstoff (PE) unvernetzt und sehr grob verteilt in der Matrix vorliegt.
Die Polyamid-Polyethylen-Materialien werden in der DE 10 2005 946 571 A1 beschrieben. Das Dokument beschränkt sich auf die chemische Zusammensetzung dieser Werkstoffmischung sowie auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Materialien. Davon ausgehend bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von Polyamid-Polyethylen-Materialien für Bauteile von Zugmitteltrieben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2–12.
Als bevorzugte Polyamid-Polyethylen-Komponente für die erfindungsgemäßen Materialien eignet sich bevorzugt PA-66, PA-46, PA-6T, PA-6/6T und/oder PPA, das in reiner Form oder als Gemisch beigefügt wird. + Text aus 044 (Leibniz)
Eine bevorzugte Werkstoffmischung sieht ein Verhältnis von Polyamid zu Polyethylen von ≥ 80:20 vor. Eine für Bauteile von Zugmitteltrieben bevorzugte Werkstoffmischung enthält Additive und/oder Verstärkungsprodukte wie Verstärkungsfasern oder Aramidfasern.
Um einen ausreichenden Trockenschmierstoffanteil zu gewährleisten, schließt die erfindungsgemäße Polyamid-Polyethylen-Mischung einen Anteil von 5–30% PTFE ein.
Vorteilhaft ermöglicht der erfindungsgemäße Werkstoff eine vollständige Substituierung bisheriger Werkstoffe wie beispielsweise PA46 PTFE. Eine Werkstoffumstellung erfordert folglich keine konstruktive oder geometrische Anpassung in einem Spannsystem oder bei übrigen Bauteilen des Zugmitteltriebs. Die Erfindung ist weiterhin auf Bauteile des Spannsystems mit einem Sandwichaufbau übertragbar. Dabei ist die erfindungsgemäße Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung mit einem Grundwerkstoff oder Trägerwerkstoff kombiniert. Als dauerfeste Verbindung dieser unterschiedlichen Materialien eignet sich bevorzugt eine stoffschlüssige Verbindung, wie Klebung oder Ultraschallschweißung.
Für ein mechanisches Spannsystem bietet es sich bevorzugt an, ein scheibenartig gestaltetes Dämpfungs- und/oder Reibelement aus einem Polyamid-Polyethylen-Material herzustellen. Ergänzend dazu ist die Gleitlagerung des Schwenkhebels aus der erfindungsgemäßen Werkstoffmischung hergestellt über die der Schwenkhebel gegenüber dem ortsfesten Basisteil verdrehbar ist.
Vorteilhaft bietet die Werkstoffmischung gemäß der Erfindung die Möglichkeit auch von einer Scheibenform abweichend gestaltete Dämpfungs- und/oder Reibelemente herzustellen, wie beispielsweise eine konisch gestaltete Buchse oder einen Keilring, der für Konus-Spannsysteme bestimmt ist. Die Verwendung von Polyamid-Polyethylen ist weiterhin ausnahmslos geeignet zur Herstellung von unterschiedlichen Bauteilen des Zugmitteltriebs, die mit Gleitpartnern eine Relativbewegung ausüben und/oder verdrehbar oder verschwenkbar angeordnet sind. Dazu zählen beispielsweise der Laufmantel einer Umlenkrolle bzw. einer mit einem Spannsystem in Verbindung stehenden Spannrolle, sowie Führungsschienen oder Gleitschienen, an denen das Zugmittel geführt oder umgelenkt wird. Die Werkstoffmischung eignet sich außerdem für elastische Lageraugen im Bereich von Anlenkpunkten, über die ein Spannsystem oder eine Führungsschiene an der Brennkraftmaschine befestigt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigt:
1 schematisch aufgebaut das Layout eines Zugmitteltriebs;
2 ein im Teilschnitt in einer Perspektive abgebildetes mechanisch gedämpftes Spannsystem mit integriertem Reibkonus;
3 in einer Explosionszeichnung ein Schwenkhebel-Spannsystem, das eine balancierte, mechanische Dämpfung einschließt;
4 den Aufbau eines drehpunktsgedämpften Spannsystems;
5 in einer Explosionszeichnung ein hydraulisch gedämpftes Spannsystem.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt einen Zugmitteltrieb 1 einer Brennkraftmaschine, bei dem ein Zugmittel 2, insbesondere ein Riemen eine Vielzahl von Riemenscheiben verbindet, die unter anderem mit einer Kurbelwelle, einzelnen Aggregaten oder Spann- oder Umlenkeinrichtungen in Verbindung stehen. Der Antrieb des Zugmitteltriebs 1 erfolgt über eine mit der Kurbelwelle 3 in Verbindung stehende, im Uhrzeigersinn umlaufende Riemenscheibe. Der auch als Aggregatetrieb zu bezeichnende Zugmitteltrieb 1 schließt weiterhin eine Wasserpumpe 4, einen Klimakompressor 5 sowie einen Generator 6 ein, deren zugehörige Riemenscheiben von dem Zugmittel 2 zumindest teilweise umschlossen sind. Die Anordnung bzw. Lage der einzelnen Aggregate ergibt eine Führung des Zugmittels 2, wodurch die einzelnen Abtriebsräder der Aggregate im Zugtrum 7 angeordnet sind. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Vorspannung des Zugmittels 2 dient ein Spannsystem 8, welches einem Leertrum 9 des Zugmitteltriebs 1 zugeordnet ist. Weiterhin schließt der Zugmitteltrieb 1 eine Umlenkrolle 10 ein, deren Lage unmittelbar Einfluss nimmt auf den Umschlingungsgrad des Zugmittels 2 an den Riemenscheiben des Generators 6 sowie des Spannsystems 8.
Die weiteren 2–5 zeigen unterschiedliche Varianten von Spannsystemen, mit denen die Vorspannung des Zugmittels 2 in einem Zugmitteltrieb 1 unmittelbar beeinflussbar ist. Die Beschreibung und die Funktion dieser bekannten Spannsysteme beschränkt sich weitestgehend auf die aus der erfindungsgemäßen Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellten Bauteile.
Die 2 zeigt in einem Teilschnitt den Aufbau eines mechanisch gedämpften Spannsystems 8a. Das Spannsystem umfasst ein ortsfest angeordnetes Gehäuse 11, das einen Reibkonus 12 einschließt, auf dem ein Schwenkarm 13 begrenzt drehbar ist. Dazu weist der Schwenkarm 13 im Bereich einer Nabe 14 eine mit einer Außenkontur des Reibkonus 12 korrespondierende Aufnahme 15 auf. Eine zwischen dem Gehäuse 11 und der Nabe 14 eingesetzte Torsionsfeder 16 bewirkt eine Verdrehung des Schwenkarms 13 in eine das Zugmittel 2 vorspannende Drehrichtung. Synchron dazu bewirkt eine Axialkraft der Torsionsfeder 16 eine Verschiebung der Nabe 14 und damit des Schwenkarms 13 in eine auf den Reibkonus 12 gerichtete Position, wodurch sich gleichzeitig eine Dämpfung von Stellbewegungen des Schwenkarms 13 einstellt. Die einen aus Polyamid-Polyethylen-Materialien hergestellten Reibkonus 12 beinhaltende Dämpfungseinrichtung gewährleistet von Beginn an eine wirksame geräuscharme Dämpfung. Der zwischen einer endseitigen Scheibe 17 und dem Gehäuse 11 angeordnete Reibkonus 12 dient zur Aufnahme der Nabe 14 des Schwenkarms 13. Mittels einer in 2 nicht abgebildeten Befestigungsschraube, die in die zentrale Öffnung 18 der Scheibe 17 eingesetzt und durch das Gehäuse 11 geführt und beispielsweise in dem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine eingeschraubt, ist das Spannsystem 8a befestigt. Am freien Ende ist der Schwenkarm 13 mit einer drehbar gelagerten Spannrolle 19 versehen, die im Einbauzustand mit dem Zugmittel 2 zusammenwirkt. Bedarfs abhängig bietet es sich ebenfalls für die Spannrolle 19 an, diese aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung herzustellen.
Das in 3 abgebildete Spannsystem 8b zeigt ein balanciertes mechanisch gedämpftes Spannsystem, bei dem die Torsionsfeder 20 in einem topfartig gestalteten Gehäuse 21 mit einem ersten Federende fixiert ist. Das weitere Federende der Torsionsfeder 20 ist an einem zylindrischen bzw. rohrförmig ausgeführten Reibelement 22 befestigt, welches außenseitig im Einbauzustand an einer Innenwandung des Gehäuses 21 anliegt und weiterhin an dem Schwenkhebel 23 fixiert ist. Der Aufbau des Spannsystems 8b sieht weiterhin eine Gleitlagerbuchse 24 vor, die im Einbauzustand in eine Nabe 25 des Schwenkhebels 23 eingesetzt und über einen endseitigen Bord stirnseitig an dem Schwenkhebel 23 abgestützt ist. Zur Erzielung optimaler Reibungsverhältnisse sind bevorzugt das Reibelement 22 sowie die Gleitlagerbuchse 24 aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellt. Ergänzend dazu bietet es sich an, die Spannrolle 26 aus dieser zuvor genannten Werkstoffmischung herzustellen.
Ein drehpunktsgedämpftes Spannsystem 8c zeigt die 4. Zur gezielten Dämpfung von Stellbewegungen weist der Schwenkhebel 27 im Drehpunkt 28 einen Keilring 29 auf, deren Konuskontur mit einer korrespondierenden Kontaktfläche innerhalb des Schwenkhebels 27 zusammenwirkt. Im Einbauzustand des Spannsystems 8c, bei dem alle axial zueinander versetzt dargestellten Bauteile zusammengefügt sind und mittels einer zentralen, in 4 nicht abgebildeten Befestigungsschraube fixiert sind, übt eine Wellfeder 30 über einen Zwischenring 31 eine axial und radial wirkende Kraft auf den Keilring 29 aus, der damit unmittelbar Stellbewegungen des Schwenkhebels 27 dämpft. Eine Aufnahme 32 in Verbindung einer Bohrung 33 des Schwenkhebels 27 ist für eine in 4 nicht abgebildete Spannrolle bestimmt. Am freien Ende bildet der Schwenkhebel 27 einen Befestigungswinkel 34, an dem im Betriebszustand des Spannsystems 8c ein Federelement befestigt ist. Zur Reibungsoptimierung des Spannsystems 8c weist dieses im Bereich des Drehpunkts 28 zwei Gleitlager 35a, 35b sowie auf der vom Keilring 29 abgewandten Seite des Schwenk hebels 27 eine Reibscheibe 36 auf. Erfindungsgemäß sind die Bauteile, der Keilring 29, die Gleitlager 35a, 35b sowie die Reibscheibe 36 aus Polyamid-Polyethylen-Materialien hergestellt.
Die 5 zeigt ein hydraulisch gedämpftes Spannsystem 8d mit folgendem Aufbau. Ein über zwei axial beabstandete Gleitlager 37a, 37b schwenkbarer Kniehebel 38 ist an einem ersten Ende zur Aufnahme der Spannrolle 39 vorgesehen. An dem weiteren Ende des Kniehebels 38 ist ein hydraulisches Spannelement in bekannter Bauweise gelenkig befestigt. Dazu ist das Spannelement 40 im Bereich der Anlenkpunkte mit Lageraugen 41a, 41b versehen. Sowohl die Lageraugen 41a, 41b als auch die Gleitlager 37a, 37b sind aus einem Polyamid-Polyethylen-Material hergestellt.

1: Zugmitteltrieb
2: Zugmittel
3: Kurbelwelle
4: Wasserpumpe
5: Klimakompressor
6: Generator
7: Zugtrum
8: Spannsystem
8a: Spannsystem
8b: Spannsystem
8c: Spannsystem
8d: Spannsystem
9: Leertrum
10: Umlenkrolle
11: Gehäuse
12: Reibkonus
13: Schwenkarm
14: Nabe
15: Aufnahme
16: Torsionsfeder
17: Scheibe
18: Öffnung
19: Spannrolle
20: Torsionsfeder
21: Gehäuse
22: Reibelement
23: Schwenkhebel
24: Gleitlagerbuchse
25: Nabe
26: Spannrolle
27: Schwenkhebel
28: Drehpunkt
29: Keilring
30: Wellfeder
31: Zwischenring
32: Aufnahme
33: Bohrung
34: Befestigungswinkel
35a: Gleitlager
35b: Gleitlager
36: Reibscheibe
37a: Gleitlager
37b: Gleitlager
38: Kniehebel
39: Spannrolle
40: Spannelement
41a: Lagerauge
41b: Lagerauge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69610811 T2 [0003]
- DE 102005946571 A1 [0009]

Claims

Zugmitteltrieb, insbesondere Riementrieb, eingesetzt in einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Antriebsrad und zumindest ein Abtriebsrad, sowie zumindest ein Spannsystem (8, 8a–8d) mit integrierter Dämpfungseinrichtung und zumindest ein Führungselement, die über ein Zugmittel (2), vorzugsweise einem Riemen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne verdrehbare, schwenkbare oder verschiebbare Bauteile des Spannsystems (8, 8a–8d) und/oder des Führungselementes, insbesondere Gleitelemente oder Reibelemente aus Polyamid-Polyethylen-Materialien oder eine Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellt sind.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, bei denen als Polyamid-Komponente PA-66, PA-46, PA-6T, PA-6/6T und/oder PPA in reiner Form oder als Gemisch vorhanden sind.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyamid-Polyethylen-Materialien als Kompatibilisator weitere reaktive Additive einschließt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffmischung Verstärkungsfasern in Zusatzmengen von 1 bis 30 im Ma.-%, bezogen auf das Polyamid-Polyethylen-Material einschließt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung einen Anteil von 5–30 PTFE enthält.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung eine vollständige Substituierung bisher verwendeter Werkstoffe ermöglicht.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung als Sandwichbauweise auf einen Trägerwerkstoff aufgebracht ist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Spannsystem (8, 8a–8d) ein aus einem Polyamid-Polyethylen-Werkstoff hergestelltes Dämpfungs- und/oder Reibelement einschließt.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reibscheibe (36) oder ein Reibelement (22) als Dämpfungs- und/oder Reibelement vorgesehen ist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keilring (29) oder eine konisch gestaltete Buchse als Dämpfungs- oder Reibelement vorgesehen ist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Gleitlager (35a, 35b) für ein Spannsystem (8c) vorgesehene Buchse zumindest bereichsweise aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellt ist.
Zugmitteltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Anlenkpunkt ausgeführtes Lagerauge (41a, 41b) des Spannsystems (8d) aus einer Polyamid-Polyethylen-Werkstoffmischung hergestellt ist.