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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein Endlostreibmittel, insbesondere Steuerkette an einem Verbrennungsmotor.
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Aus der
EP 0 281 990 A1 ist ein Spann- Ausgleichselement für einen endlosen Riementrieb bekannt, welcher eine von der Temperatur des Hydraulikmediums unabhängige Absinkrate aufweist. Hierzu wird ein Regelkörper mit einem entsprechend angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten zum Verändern des Querschnitts einer Leckageöffnung verwendet.
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Eine weitere Spannvorrichtung ist z. B. aus der
DE 202 02 663 U1 bekannt. Der dort beschriebene Kettenspanner für einen Steuertrieb bzw. Nockenwellentrieb an einem Verbrennungsmotorweist ein einstellbares Dämpfungsverhalten auf. In einer aus der Druckkammer herausführenden Fluidleitung ist ein im Wesentlichen unabhängig vom Spanndruck steuerbares Ventil angeordnet. Die Steuerung erfolgt in Abhängigkeit der Viskosität des Druckfluids, die bei steigender Temperatur abnimmt. Damit insgesamt das Dämpfungsverhalten im gesamten Betriebsbereich nahezu konstant ist, erfolgt eine temperaturabhängige Veränderung des Strömungsquerschnitts der aus der Druckkammer wegführenden Fluidleitung. In einem Ausführungsbeispiel ist ein federbeaufschlagtes Magnetventil im Füllkörper des Spannkolbens angeordnet. Eine außen auf dem Kettenspannergehäuse angeordnete Spule betätigt den magnetischen Ventilkörper gegen die Kraft der Feder. Derartige Spannvorrichtungen für Endlostriebmittel existieren bislang nur als Konzeptstudien. Aufgrund ihres komplizierten und damit sehr teueren Aufbaus sind sie bislang nicht zur Serienreife gelangt. Insbesondere im Automobilbereich sind aufgrund der hohen Stückzahlen kostenbewusste Lösungen zu favorisieren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich einer möglichen Serientauglichkeit weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spannvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung verzichtet demnach vollständig auf teuere und komplizierte Steuer- oder Regelungseinrichtungen, weil ein Ventilkörper eingesetzt wird, der selbsttätig den Ventilströmungsquerschnitt in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Zwar ist aus der
DE 44 24 792 A1 bereits eine hydraulische Spannvorrichtung bekannt, bei der ein Drosseleinsatz aus einem Material gefertigt ist, das einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der einen angepassten höheren Wert besitzt als die unmittelbar umgebenden Bauteile, so dass sich der Abströmquerschnitt der Drosselbohrung in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Hierbei handelt es sich aber um einen Autarkkettenspanner mit in sich geschlossenem Hydrauliksystem und nicht um eine Spannvorrichtung mit Druckkammerauslass, bei der eine Gehäuseleckage durch diesen Druckkammerauslass nach außen erfolgt. Darüber hinaus wird aufgrund des Einsatzes eines Ventilkörpers auch die Möglichkeit eröffnet, den Ventilströmungsquerschnitt vollständig zu verschließen. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine größere Anpassung, da ein viel größerer Bereich an verschiedenen Strömungsquerschnitten bereitgestellt werden kann. Dieses Prinzip könnte auch parallel zu einem üblichen Leckagespalt zwischen Gehäuse und Spannkolben verwendet werden. Ein solcher zusätzlicher Leckagespalt dürfte dann jedoch von der Dimensionierung im Querschnitt kleiner ausfallen als bei herkömmlichen Spannvorrichtungen.
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Der Ventilkörper ist von einem Ventilstift gebildet, dessen freie Stirnseite zusammen mit einem Ventilsitz einen Zulaufspalt formt, der in eine Ventilöffnung mündet, wobei der Zulaufspalt aufgrund Wärmeausdehnung des Ventilstifts in seinem Durchströmquerschnitt, insbesondere in der Breite, variierbar ist. Für die Veränderung des Zulaufspalts die freie Stirnseite zu verwenden, hat den Vorteil, dass auf die Veränderung nahezu die gesamte Länge des Ventilstifts Einfluss nimmt. Je nach Länge des Ventilstifts lassen sich hier aufgrund überschaubarer Temperaturveränderung bereits beträchtliche Längenänderungen bewirken.
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Der Spannkolben ist als zumindest einseitig offener Hohlkörper ausgestaltet, an dessen Andrückende der Druckkammerauslass angeordnet ist, und das Ventil kann im Inneren des Spannkolbens angeordnet sein. Hierdurch entsteht eine möglichst kompakte Bauweise, weil das Ventil als integraler Bestandteil innerhalb des Spannkolbens angeordnet ist. Eine Vergrößerung des Spannkolbens im Vergleich zu herkömmlichen Spannvorrichtungen wird eher nicht notwendig sein.
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In dem Spannkolben ist ein Füllkörper angeordnet, der eine mit der Druckkammer in Strömungsverbindung stehende Zuströmöffnung und eine Auslassöffnung aufweist, wobei das Ventil in dem Füllkörper angeordnet ist, der Ventilkörper zwischen der Strömungsöffnung und der Auslassöffnung angeordnet ist und die Auslassöffnung die Ventilöffnung bildet. Ein Füllkörper dient in aller Regel dazu, das Volumen der Drosselkammer zu verkleinern, so dass diese bereits durch eine kleine Menge an Druckfluid ausgefüllt wird. Nunmehr wird der sowieso vorhandene Füllkörper dazu benutzt, das Ventil zu positionieren. Bezüglich des Spannkolbens kann daher auf bereits bestehende Bauteile zurückgegriffen werden, ohne dass dieser verändert werden muss. Die Umkonstruktion erfolgt einzig und allein am Füllkörper. Der Spannkolben weist in aller Regel eine Grundlochbohrung auf, die an dem Stirnseitenende des Spannkolbens bis auf den Druckkammerauslass geschlossen ist. Im Inneren wird der meist pilzförmige Füllkörper mittels einer Druckfeder in den hohlen Spannkolben hineingedrückt. Damit dennoch Hydraulikflüssigkeit zum Druckkammerauslass gelangen kann, muss der Füllkörper entsprechende Strömungskanäle aufweisen. Im vorliegenden Fall ist innerhalb der Strömungskanäle das Ventil angeordnet. Der Füllkörper weist an seinem oberen Ende die Auslassöffnung auf und ist mit seinem oberen Ende gegen den Spannkolben gedrückt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ventil dem Druckkammerauslass vorgeschaltet ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Ventil als integraler Bestandteil auch innerhalb des Gehäuses angeordnet werden kann und sich keine wesentliche Vergrößerung der Außenmaße gegenüber handelsüblichen Spannvorrichtungen ergibt.
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Von Vorteil ist es insbesondere, wenn gemäß einer Variante mittels des Ventils sich bei steigender Temperatur der Strömungsquerschnitt stetig verkleinert. Hierdurch wird einer bei steigender Temperatur abnehmenden Viskosität des Hydraulikfluids entgegen gewirkt, so dass das Dämpfungsverhalten entsprechend angepasst ist. Insbesondere soll dieser Effekt entweder vollständig kompensiert oder zumindest minimiert werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass sich die Unterschiede insbesondere in der Erwärmungsphase des Verbrennungsmotors bemerkbar machen, ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Ventil eine Schalttemperatur bzw. einen Schalttemperaturbereich aufweist, bei der bzw. in dem das Ventil schließt. Diese Schalttemperatur bzw. dieser Schalttemperaturbereich liegt üblicherweise über der Umgebungstemperatur, so dass das Verschließen des Ventils erst ab Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur erfolgt. Insbesondere ist ab dieser Temperatur oder in diesem Temperaturbereich eine weitere Vergrößerung bzw. Kompensation der Dämpfungswirkung nicht mehr gewünscht. Zum Einsatz kann dieses Konzept auch in Parallelschaltung mit einem üblichen Dämpfungs- bzw. Drosselspalt zwischen der Außenmantelfläche des Spannkolbens und der Innenfläche der Bohrung im Gehäuse vorgesehen sein.
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Ein einfacher Aufbau des Füllkörpers ist gemäß einer weiteren Ausführungsform gegeben, wenn der Füllkörper einen hülsenförmigen Grundkörper aufweist, in dem der Ventilstift koaxial angeordnet ist, und der Grundkörper und der Ventilstift aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Hierdurch verstärkt sich die Relativausdehnung des Ventilstifts und des Grundkörpers zueinander, so dass der Zulaufspalt sich bereits bei kleinen Temperaturänderungen ausreichend verändert.
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Damit eine ausreichende Länge zum Ausdehnen des Ventilstifts vorhanden ist, kann der Ventilstift an seinem ersten Ende die freie Stirnseite aufweisen und mit seinem zweiten Ende fest mit dem Füllkörper verbunden sein.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das untere Ende des Füllkörpers verschlossen ist und die Zulauföffnung seitlich in dem hülsenförmigen Grundkörper angeordnet ist, wobei ein koaxialer Strömungsschlitz zwischen dem Ventilstift und dem Grundkörper vorhanden ist, der mit dem Zulaufspalt in Strömungsverbindung steht. Der Fluidstrom fließt also durch den Füllkörper hindurch.
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Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Füllkörper nach Anspruch 7. Dieser kann als Ersatz- oder Umbauteil auch in bereits existierende Spannvorrichtungen eingebaut werden, so dass diese erfindungsgemäß umgebaut bzw. ergänzt sind.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Einschraubkettenspanner im schematischen Vollschnitt,
- 2 den Füllkörper aus 1 im Vollschnitt,
- 3 eine zweite Variante eines Füllkörpers im Vollschnitt, und
- 4 eine dritte Variante eines Füllkörpers im Vollschnitt.
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Die in den Figuren dargestellte Spannvorrichtung ist ein Einschraubkettenspanner 1, der in eine nicht dargestellte Gewindebohrung im Motorblock eines Verbrennungsmotors eingeschraubt wird. Der Einschraubkettenspanner 1 drückt mit seinem Spannkolben 2 auf eine schwenkbar angeordnete Spannschiene, die wiederum gegen die Kette eines Steuerkettentriebs (Nockenwellentrieb) drückt.
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Der Einschraubkettenspanner 1 umfasst im Wesentlichen ein Einschraubgehäuse 3, den im Einschraubgehäuse 3 verschiebbar angeordneten Spannkolben 2, eine den Spannkolben 2 nach außen drückende Druckfeder 4, ein Rückschlagventil 5 und einen im Inneren des Spannkolbens 2 angeordneten und noch näher zu beschreibenden Füllkörper 6.
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Das Einschraubgehäuse 3 umfasst einen als Sechskant ausgebildeten Einschraubkopf 7 und einen Einschraubabschnitt 8 mit Gewinde auf. Unterhalb des Einschraubkopfes 7 befinden sich radial erstreckende Zulaufkanäle 9, die in einen zentralen Druckkammereinlass 10 münden. Im Druckkammereinlass 10 ist das Rückschlagventil 5 angeordnet, so dass Hydraulikfluid durch den Druckkammereinlass 10 hineinfließen, aber nicht hinausfließen kann. Im Einschraubabschnitt 8 des Einschraubgehäuses 3 befindet sich eine zylindrische Grundlochbohrung 11, in der der Spannkolben 2 verschiebbar aufgenommen ist.
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Der Spannkolben 2 ist als Hülsenkörper ausgestaltet und weist eine Aufnahmebohrung 12 auf, die in der Nähe des Kopfes 13 des Spannkolbens 2 endet und in einen Druckkammerauslass 14 mündet. Zwischen dem Spannkolben 2 und dem Einschraubgehäuse 3 ist die mit Hydraulikfluid gefüllte Druckkammer 15 vorhanden. Damit das Volumen der Druckkammer 15 nicht zu groß ist, ist im inneren des Spannkolbens 2 der Füllkörper 6 vorhanden. Die Druckfeder 4 stützt sich auf der einen Seite an dem Flansch des Rückschlagventils 5ab, so dass dieses fixiert wird und auf der anderen Seite an der Unterseite eines pilzförmigen Kopfes 16 des Füllkörpers 6 ab. Nachdem der Kopf 16 eine konvexe Vorderseite aufweist und das Ende der Aufnahmebohrung 12 kegelförmig ausgestaltet ist, dichtet der Kopf 16 im Wesentlichen diesen Bereich ab. Damit dennoch Hydraulikflüssigkeit von der Druckkammer 15 zum Druckkammerauslass 14 gelangen kann, ist der Füllkörper 6 mit einem im Folgenden noch näher zu beschreibenden Kanalsystem versehen.
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Der Füllkörper 6 umfasst neben dem Kopf 16 einen daran angeordneten im Inneren der Druckfeder 4 positionierten zylindrischen Schaft 17. Im vorliegenden Fall wird der Schaft 17 von einem hülsenförmigen Körper gebildet, der an seinem einen Ende (in 1 links) mittels eines eingepressten Verschlussstücks 18 verschlossen ist. In dem Verschlussstück 18 ist ein als Ventilkörper wirkender Ventilstift 19 eingebettet, bevorzugt mittels Spritzgie-ßen verbunden. Der Außendurchmesser des Ventilstifts 19 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des hülsenförmigen Schafts 17, so dass zwischen dem Ventilstift 19 und dem Schaft 17 ein koaxialer Strömungsspalt 20 gebildet ist. Unterhalb des Kopfes 16 weist der Füllkörper 6 sich radial erstreckende Zulauföffnungen 21 auf, die zum einen mit der Druckkammer 15 in Strömungsverbindung und zum anderen mit dem Strömungsspalt 20 in Strömungsverbindung stehen. Zwischen der freien Stirnseite 22 des Ventilstifts 19 und einer als Ventilsitz 23 ausgebildeten Grundfläche ist ein Zulaufspalt 24 gebildet. Der radial sich erstreckende Zulaufspalt 24 verbindet den Strömungsspalt 20 mit einer zentral im Kopf 16 angeordneten Auslassöffnung 25, die gleichzeitig die Ventilöffnung darstellt. Die AuslassÖffnung 25 steht mit dem Druckkammerauslass 14 in Fluidverbindung. Der Ventilstift 19 und die Auslassöffnung 25 bilden gemeinsam ein Ventil.
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Bevorzugt ist der Ventilstift 19 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, während zumindest der Schaft 17 des Füllkörpers 6 aus einem Stahlwerkstoff besteht. Hierdurch weisen der Ventilstift 19 und der Schaft 17 unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften, insbesondere aufgrund ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, auf. Durch diese mehrteilige Ausführung des Füllkörpers 6 können durch Einsatz unterschiedlicher Materialien mit entsprechend unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten temperaturabhängige Dämpfungsquerschnitte erzeugt werden. Bei entsprechender Gestaltung und Materialkombination kann erreicht werden, dass sich die für die Dämpfung des Systems maßgeblichen Querschnitte bei Temperaturerhöhung minimieren und somit der Viskositätsreduzierung der Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Motoröl eines Verbrennungsmotors, entgegenwirken.
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Im Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des oben beschriebenen Einschraubkettenspanners 1 näher erläutert.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Dämpfung des Spannkolbens 2 über das durch den Druckkammerauslass 14 bei geschlossenem Rückschlagventil 5 ausströmende Hydraulikfluid. Wirkt auf den Kopf 13 eine Kraft (in 1 nach links), so ist der Spannkolben 2 bestrebt, einzufahren. Dies erfolgt gegen den Hydraulikdruck in der Druckkammer 15. Bei Überwinden dieses Druckes 15 schließt das Rückschlagventil 5 und ein weiteres Einfahren des Spannkolbens 2 ist nur noch möglich, wenn Hydraulikfluid verdrängt wird bzw. ausfließt durch den Druckkammerauslass 14. Hierzu strömt das Hydraulikfluid am Schaft 17 des Füllkörpers 6 entlang und dringt über die Zulauföffnungen 21 in diesen ein. Anschließend strömt das Hydraulikfluid über den Strömungsspalt 20 in den Zulaufspalt 24 und von dort durch die Auslassöffnung 25 in den Druckkammerauslass 14.
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Der Einschraubkettenspanner 1 wird in einer Umgebung betrieben, die ausgehend vom Kaltstart des Verbrennungsmotors sich bis zu einer Betriebstemperatur erwärmt. Dies hat Einfluss auf die Viskosität des Hydraulikfluids. Zum Erzielen gleichartiger Dämpfungswirkungen muss daher der für die Dämpfung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt im Kaltbereich größer sein als anschließend beim Warmbetrieb.
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Aufgrund der Materialkombination von dem Ventilstift 19 und dem Schaft 17 des Füllkörpers 6 dehnt sich der Ventilstift 19 bei steigender Temperatur schneller aus als der Rest des Füllkörpers 6. Hierdurch verringert sich die Breite des Zulaufspalts 24 mit steigender Temperatur. Gleichzeitig verringert sich hierdurch der für die Dämpfung zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt. Aufgrund der Tatsache, dass der Ventilstift 19 nur einseitig fest angeordnet ist, können bereits überschaubare Temperaturänderungen eine wirksame Längenänderung bewirken. Bei einigen Ausführungsformen kann vorgesehen werden, dass ab Erreichen einer bestimmten Betriebstemperatur die freie Stirnseite 22 des Ventilstifts 19 mit dem Ventilsitz 23 zur Anlage kommt und das Ventil schließt. Alternativ kann auch ein bestimmter Schalttemperaturbereich für diesen Vorgang vorgesehen werden. Günstigerweise wird dies bei Erreichen der Betriebstemperatur der Fall sein, z. B. 90°C. Hierdurch verfügt der Einschraubkettenspanner 1 nur noch über eine sehr geringe Dämpfungswirkung. Dieser Dämpfungsströmungsquerschnitt kann aber auch parallel zur Leckspaltdämpfung betrieben werden, die noch zwischen dem Spannkolben 2 und dem Einschraubgehäuse 3 vorhanden ist. Diese ist von ihrer Größe her auf das gesamte System abgestimmt, so dass sich in Bereichen der Betriebstemperatur eine geeignete Dämpfung eingestellt hat, auch wenn das Ventil im Füllkörper 6 verschlossen ist.
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Im Folgenden wird anhand der 3 und 4 alternative Ausführungsformen vom Füllkörper 6 beschrieben, die so wie sie in den Figuren dargestellt sind, in einen Einschraubkettenspanner eingesetzt werden können, der ansonsten baugleich zu dem Einschraubkettenspanner 1 aus 1 ist. Für baugleiche und wirkungsgleiche Bauelemente werden identische Bezugsziffern verwendet und diesbezüglich auf die obige Beschreibung verwiesen. Im Folgenden wird nur auf die entscheidenden Unterschiede eingegangen.
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Der Füllkörper 6 aus 3 weist einen einteilig ausgestalteten Kopf 16 mit Schaft 17 aus einem Stahlwerkstoff auf. In das untere Ende des Schaftes 17 ist ein Passstift 26 eingepresst, auf den die hintere Stirnseite des Ventilstifts 19 fixiert, insbesondere aufgeklebt, ist. Der Ventilstift 19 besteht aus einem Kunststoffmaterial.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist der Schaft 17 getrennt vom Kopf 16 hergestellt. Der Schaft 17 wird als einseitig verschlossene Hülse ausgestaltet und besteht aus einem Stahlmaterial. In den Schaft 17 wird der Ventilstift 19 fixiert, insbesondere eingeklebt, und anschließend der separate Kopf 16 aufgepresst.
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Die verschiedenen Teile des Füllkörpers 6 können vormontiert (geklebt, gepresst, geschraubt, verstemmt geschweißt oder ähnlich etc.) werden und fest miteinander verbunden. Es können bei sämtlichen Ausführungsbeispielen die unterschiedlichsten Materialkombinationen eingesetzt werden, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen vom Schaft und Ventilstift zu erhalten.