DE102011004486A1 - Spannsystem für einen Zugmitteltrieb mit einer integrierten Überdruckeinheit - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein hydraulisch gedämpftes Spannsystem mit integrierter Überdruckeinheit gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
- Hydraulisch gedämpfte Spannsysteme werden bevorzugt in Zugmitteltrieben einer Brennkraftmaschine eingesetzt, die zum Antrieb von Nebenaggregaten vorgesehen sind. Mit dem Begriff Nebenaggregate sind gemäß der Erfindung beispielsweise eine Kühlmittelpumpe, ein Generator oder ein Klimakompressor gemeint. Der Antrieb erfolgt dabei von einer der Kurbelwellen der Brennkraftmaschine zugeordneten Riemenscheibe in Verbindung mit einem Zugmittel, insbesondere einem Riemen auf Riemenscheiben der jeweiligen Nebenaggregate. Das Spannsystem ist zur Sicherstellung einer ausreichenden, gleichmäßig hohen Vorspannung des Zugmittels bestimmt, um einen nachteiligen Schlupf zwischen dem Riemen und den An- oder Abtriebs-Riemenscheiben des Zugmitteltriebs zu vermeiden. Weiterhin hat das Spannsystem die Aufgabe, die über den Antrieb der Kurbelwelle in den Zugmitteltrieb eingeleiteten Schwingungen aufgrund der Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle zu dämpfen. Die Dämpfung wird durch die sich einstellenden Scherkräfte im Hydraulikfluid innerhalb eines Leckspaltes erzeugt, der sich zwischen einem Kolben und einer Zylinderwand des Spannsystems einstellt, über den im Dämpfungs- oder Kompressionszyklus des Spannsystems eine Teilmenge des Hydraulikfluids aus dem Druckraum in ein Reservoir verdrängt wird.
- Aus der
EP 2 101 082 A2 ist ein hydraulisches Spannsystem bekannt, das ein Zylindergehäuse umfasst, in dem ein Kolben geführt ist. Diese Kolben-Zylinder-Anordnung wird von einer Druckfeder umschlossen, die eine Spreizkraft zwischen Kolben und Zylinder bewirkt. Ein äußeres becherartiges Gehäuse umschließt die einen Druckraum begrenzenden Bauteile, den Kolben sowie den Zylinder und bildet dabei einen ringförmigen Innenraum, der als ein druckloser Vorratsraum oder Reservoir für das Hydraulikfluid des Spannsystems bestimmt ist. Während einer Einfahrbewegung des Kolbens in dem Dämpfungszyklus wird eine Teilmenge des Hydraulikfluids aus dem Druckraum über einen Leckspalt in den Vorratsraum verdrängt. Bei einer entgegengesetzten Stellbewegung des Kolbens kann Hydraulikfluid über ein sich öffnendes Rückschlagventil vom Reservoir in den Druckraum einströmen. Druckraumseitig ist dem Kolben als Druck- bzw. Kraftbegrenzung des Spannsystems eine Überdruckeinheit zugeordnet. Bei einer Überschreitung eines definierten Drucks öffnet sich ein Einwegventil und ermöglicht ein Abströmen von Hydraulikfluid in den Vorratsraum. - Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem gattungsgemäßen Spannsystem eine kompakte und kostenoptimierte Überdruckeinheit zu integrieren.
- Diese Problemstellung wird durch ein hydraulisches Spannsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den zugehörigen Figuren zu entnehmen.
- Zur Lösung der Aufgabe ist in dem Kolben druckraumseitig eine Überdruckeinheit integriert, die einen von einem Federmittel beaufschlagten, druckabhängig verstellbaren Ventilhalter umfasst, dem druckraumseitig ein federkraftbeaufschlagtes, als Plattenventil ausgebildetes Einwegeventil zugeordnet ist, wobei der Ventilhalter und das Einwegeventil eine vormontierbare, in dem Kolben einsetzbare Baueinheit bildet. Bei einem erhöhten Druckniveau in dem Druckraum ermöglicht der Ventilhalter eine zusätzliche Fluidströmung von dem Druckraum in das Reservoir. In dem Dämpfungszyklus oder der Kompressionsphase des Spannsystems wird zunächst eine Teilmenge des Hydraulikfluids als Bypassstrom aus dem Druckraum über einen Leckspalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder in das von der Kolbenstange gebildete Reservoir verdrängt. Ein weiterer den Ventilhalter verstellender Druckanstieg bewirkt eine zusätzliche Fluidströmung, bei der Hydraulikfluid über einen Ringspalt zwischen dem Ventilhalter und dem Kolben in das Reservoir einströmt. Aufgrund des Komponentendesigns kann vorteilhaft mittels des erfindungsgemäßen Konzepts eine kompakte, bauraumoptimierte, eine hohe Funktionalität aufweisende Überdruckeinheit geschaffen werden, die kostengünstig herstellbar ist. Die Öffnungscharakteristik der Überdruckeinheit und damit die Dämpfkraft des Systemdrucks kann durch unterschiedliche Auswahlkriterien, insbesondere durch Austausch des Federmittels auf bestimmte Betriebspunkte oder Betriebsparameter der Brennkraftmaschine eingestellt werden.
- Ein bevorzugter konstruktiver Aufbau sieht vor, dass der Ventilhalter der Überdruckeinheit kraftschlüssig an einem Dichtsitz des Kolbens abgestützt ist und bei Erreichen eines definierten Drucks im Hochdruckraum von einem Dichtsitz des Kolbens abhebt. Dadurch kann Hydraulikfluid über einen sich einstellenden Ringspalt zwischen dem Kolben und dem Ventilhalter in das Reservoir abströmen. Vorteilhaft sind der Ringspalt und der auch als Bypass zu bezeichnende Leckspalt, über die das Hydraulikfluid getrennt abgesteuert wird, so aufeinander abgestimmt, dass sich eine nahezu stufenlose Dämpfungskurve einstellt.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Leckspalt- oder Bypassströmung in dem Spannsystem zu eliminieren. Dazu bietet es sich an, in dem Leckspalt zumindest eine Dichtung und/oder eine Führungsbuchse zwischen dem Kolben und dem Zylinder in einer Zylinder- oder Kolbenwandung einzusetzen, die bevorzugt axial zueinander versetzt, bevorzugt aus einem verschleißfesten Werkstoff hergestellt sind. Bei einem abgedichteten Leckspalt erfolgt die Dämpfung des Spannsystems ausschließlich über die Überdruckeinheit. Diese Maßnahme bewirkt eine optimal entlastete Führung des Kolbens an der Zylinderwandung, für die damit eine erhöhte Lebensdauer erreicht werden kann.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Ventilhalter der Überdruckeinheit in einer Neutralstellung des Spannsystems über einen Dichtsitz kraftschlüssig an einem umlaufenden Innenbord des Kolbens abgestützt ist.
- Ferner wird ein Ventilhalter mit einer zentrischen Öffnung vorgeschlagen, die druckraumseitig mit einem als Ventilplatte ausgebildeten Ventilkörper in einer Wirkverbindung steht. In dem Dämpfungszyklus des Spannsystems ist die angefederte Ventilplatte kraftschlüssig dichtend an einem Ventilsitz des Ventilhalters abgestützt. Im Spannzyklus des Spannsystems ist die Ventilplatte in einem ausreichenden Abstand zu der Öffnung und dem Ventilsitz des Ventilhalters an einem Endanschlag positioniert, um ein Rückströmen des Hydraulikfluids aus dem Reservoir über das geöffnete Einwegventil in den Druckraum zu ermöglichen.
- Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Kolben über einen Zentrieransatz in der rohrförmig gestalteten Kolbenstange eingesetzt und lagefixiert gehalten. Ein sich an den Zentrieransatz anschließender, radial nach außen aufweitender Abschnitt des Kolbens ist zur Aufnahme der Überdruckeinheit bestimmt und ist gleichzeitig an der Innenwand des Zylinders geführt.
- Ferner wird vorgeschlagen, die Öffnungscharakteristik und folglich die Dämpfungscharakteristik der Überdruckeinheit im Rahmen eines Montageprozesses zu beeinflussen. Dazu bietet es sich an, eine Vorspannung des Federmittels, das den Ventilhalter beaufschlagt, durch einen Umformprozess von dem Innenbord des Kolbens, an dem der Ventilhalter kraftschlüssig anliegt, zu verändern. Nach erfolgter Montage des Ventilhalters wird durch Umformen die Lage von dem Innenbord des Kolbens festgelegt und damit eine Einbaulage des Ventilhalters sowie eine Vorspannung des Federmittels, das auf der vom Innenbord abgewandten Seite an dem Ventilhalter abgestützt ist. Die Vorspannung des Federmittels kann somit im Rahmen des vorhandenen Einbauraumes unmittelbar beeinflusst werden. Vorteilhaft kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine optimierte bzw. variable Federkennlinie ohne Austausch oder Anpassung des Federmittels erreicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Systemdruck und damit die Dämpfkraft auf bestimmte Betriebspunkte oder Betriebsparameter der Brennkraftmaschine einstellbar ist, wodurch die Federkennlinie der Druckfeder des Spannsystems auf ein gewünschtes Niveau angehoben oder abgesenkt werden kann.
- Außerdem kann zur Veränderung der Dämpfkraft erfindungsgemäß ein gezielter Austausch des Federmittels vorgenommen werden. Zur Einflussnahme auf den Öffnungsdruck der Überdruckeinheit bietet sich dazu an, zwei unterschiedliche Federmittel zur kraftschlüssigen Beaufschlagung des Ventilhalters einzusetzen. Bevorzugt eignen sich dazu als Federmittel zwei oder mehr den Ventilhalter beaufschlagende, zueinander wechselsinnig angeordnete Tellerfedern oder Tellerfederpakete. Ferner wird vorgeschlagen, das Federmittel als Überlastungsschutz für den Zugmitteltrieb auszulegen, so dass nur in der Startphase und bei tiefen Umgebungstemperaturen auftretende Höchstbelastungen durch die Überdruckeinheit reduziert werden. Weiterhin bietet es sich an, ein entsprechend ausgelegtes Spannsystem in einem Zugmitteltrieb einzusetzen, der einen Startergenerator einschließt bzw. für ein Start-Stopp-System bestimmt ist.
- Ein weiterer Vorschlag der Erfindung sieht für den Ventilhalter der Überdruckeinheit eine Hubbegrenzung vor, die dazu bevorzugt ein innenseitig des Kolbens angeordnetes Anschlagelement vorsieht. Die Hubbegrenzung verhindert wirksam eine Blocklage und reduziert einen Setzverlust von Tellerfederpaketen, die als Federmittel eingesetzt sind, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Tellerfedern auswirkt.
- Zur Schaffung eines kostengünstigen Spannsystems sind zumindest einzelne Bauteile des Spannsystems, wie der Kolben, die Kolbenstange, der Ventilhalter und/oder die Ventilplatte spanlos mittels eines Tiefzieh-, Stanz- oder eines Fließpressverfahrens aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Alternativ dazu können zumindest einzelne dieser Bauteile als Sinterteil oder als ein Druckgussteil gestaltet oder zur Gewichtsoptimierung aus einem Kunststoff hergestellt werden. Weiterhin wird zur Realisierung eines Kostenvorteils vorgeschlagen, dass alle Bauteile der Überdruckeinheit, mittels einer Vormontage zu einer Ventilbaugruppe zusammengefügt, als eine Baueinheit in den Kolben eingesetzt werden.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und mehrerer Figuren näher erläutert. Im Einzelnen zeigen die Figuren:
-
1 ein hydraulisch gedämpftes Spannsystem in einer Schnittdarstellung, -
2 vergrößert das Detail „Z” aus1 , die Überdruckeinheit; -
3 eine weitere Darstellung der Überdruckeinheit; -
4 die Überdruckeinheit mit einem abgedichteten Leckspalt. - In
1 ist ein hydraulisch gedämpftes Spannsystem1 in einer Schnittdarstellung abgebildet, das einen Zylinder2 umfasst, in dem ein Kolben3 linear verschiebbar geführt ist. Der Kolben3 ist endseitig an einer Kolbenstange4 fixiert. Übereinstimmend ist den spanlos, vorzugsweise durch ein Tiefziehverfahren hergestellten Blechumformteilen, dem Zylinder2 und der Kolbenstange4 jeweils ein Federteller5 ,6 zugeordnet, zwischen denen eine Druckfeder7 eingesetzt ist, die den Zylinder2 und die Kolbenstange4 außenseitig umschließt und eine Spreizkraft zwischen den Federtellern5 ,6 ausübt. Zur Befestigung des Spannsystems1 an eine in1 nicht dargestellte Umgebungskonstruktion ist jedem Federteller5 ,6 ein Befestigungsauge8 ,9 zugeordnet. Zur Führung und Abdichtung der Kolbenstange4 ist endseitig in dem Zylinder2 eine Führungsbuchse10 sowie eine Dichtung11 eingesetzt. - Der Zylinder
2 und der Kolben3 begrenzen gemeinsam einen mit Hydraulikfluid gefüllten Druckraum12 . Zur Dämpfung von Stellbewegungen im Betriebszustand schließt das Spannsystem1 Dämpfungsmittel ein. Bei einer Kompression des Spannsystems1 , einer Stellbewegung des Kolbens3 in Pfeilrichtung, wird eine Teilmenge des Hydraulikfluids aus dem Druckraum12 verdrängt. Dazu strömt Hydraulikfluid über einen sich zwischen der Mantelfläche des Kolbens3 und einer Innenwandung des Zylinders2 einstellenden Leckspalt13 in Verbindung mit zumindest einem Übertritt14 des Kolbens3 in als Hohlkörper gestalteten, ein Reservoir15 bildenden Innenraum der Kolbenstange4 . Eine umgekehrte, sich bei einem Spannzyklus einstellende Stellbewegung des Spannsystems1 bewirkt einen Rückstrom des Hydraulikfluids aus dem Reservoir15 in den Druckraum12 über ein Einwegventil16 , das in einer Überdruckeinheit17 des Kolbens3 integriert ist. Die Überdruckeinheit17 des Kolbens3 umfasst einen federbelasteten Ventilhalter18 , der sich bei auftretenden Druckspitzen verschiebt und eine zusätzliche Hydraulikströmung von dem Druckraum12 in das Reservoir15 ermöglicht. - Die
2 zeigt vergrößert das Detail „Z” gemäß1 und verdeutlicht den Aufbau der Überdruckeinheit17 in Verbindung mit der zugehörigen Umgebungskonstruktion. Der als Hohlkörper ausgebildete Kolben3 greift mit einem Zentrieransatz19 in die Kolbenstange4 , die endseitig einen Außenbord20 einschließt, an dem der Kolben3 bei maximalem Hub und gegenseitig die Führungsbuchse20 abgestützt ist. An den Zentrieransatz19 des Kolbens3 schließt sich ein radial aufgeweiteter, die Überdruckeinheit17 umschließender Abschnitt21 an, der druckraumseitig einen umlaufenden Innenbord22 bildet. An einem Dichtsitz23 des Innenbordes22 ist der Ventilhalter18 durch ein aus entgegengesetzt zueinander gewölbten Tellerfederpaketen bestehendes Federmittel24 kraftbeaufschlagt abgestützt. In dem Ventilhalter18 ist das als Plattenventil ausgeführte Einwegventil16 integriert, dessen Ventilplatte25 druckraumseitig mit einem eine zentrische Öffnung26 des Ventilhalters18 umschließenden Ventilsitz27 zusammenwirkt. Eine die Ventilplatte25 in Richtung des Ventilsitzes27 beaufschlagende Feder28 ist gegenseitig an einer Haltescheibe29 abgestützt. - Die
3 und4 zeigen weitere Details und verdeutlichen die Funktion der Überdruckeinheit16 . Dabei sind die mit der1 übereinstimmenden Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen und nicht näher beschrieben. - In
3 verdeutlichen die gepunkteten Linien die Richtung des sich druckabhängig verstellenden Ventilhalters18 der Überdruckeinheit17 . Nach einem Abheben des Ventilhalters18 von dem Dichtsitz23 strömt Hydraulikfluid in Pfeilrichtung durch einen von dem Ventilhalter18 und dem Kolben3 radial begrenzten Ringspalt30 und entlang der Außenkontur des Federmittels24 sowie radial verlaufende Zuführkanäle31 des Kolbens3 in das Reservoir15 . Sobald sich der Kolben3 im Spannzyklus in eine der Pfeilrichtung entgegengesetzte Richtung bewegt, reduziert sich der Druck im Druckraum12 und die Fluidströmung endet, sobald der Ventilhalter18 an dem Dichtsitz23 abgestützt ist. - In
4 ist der Leckspalt13 zwischen dem Zylinder2 und dem Abschnitt21 des - Kolbens
3 durch ein Dichtelement32 abgedichtet. Durch diese Maßnahme erfolgt die Dämpfung des Spannsystems1 ausschließlich über die Überdruckeinheit17 . - Weiterhin ist axial versetzt zu dem Dichtelement
32 im Bereich des Leckspalts13 eine die Lebensdauer der Kolbenführung verbessernde Führungsbuchse33 angeordnet. Das Dichtelement32 sowie die Führungsbuchse33 sind übereinstimmend in dem Abschnitt21 , der Mantelfläche des Kolbens3 eingesetzt. Zur Erzielung einer definierten Blocklage, die gleichzeitig die Dauerfestigkeit des Federmittels24 optimiert, ist für die Überdruckeinheit17 eine Hubbegrenzung vorgesehen. - Dazu ist innenseitig des Kolbens
3 , im Bereich des Abschnitts21 , ein Anschlagelement34 lagepositioniert, das den Hub der Überdruckeinheit17 begrenzt. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Spannsystem
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Federteller
- 6
- Federteller
- 7
- Druckfeder
- 8
- Befestigungsauge
- 9
- Befestigungsauge
- 10
- Führungsbuchse
- 11
- Dichtung
- 12
- Druckraum
- 13
- Leckspalt
- 14
- Übertritt
- 15
- Reservoir
- 16
- Einwegventil
- 17
- Überdruckeinheit
- 18
- Ventilhalter
- 19
- Zentrieransatz
- 20
- Außenbord
- 21
- Abschnitt
- 22
- Innenbord
- 23
- Dichtsitz
- 24
- Federmittel
- 25
- Ventilplatte
- 26
- Öffnung
- 27
- Ventilsitz
- 28
- Feder
- 29
- Haltescheibe
- 30
- Ringspalt
- 31
- Zuführkanal
- 32
- Dichtelement
- 33
- Führungsbuchse
- 34
- Anschlagelement
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2101082 A2 [0003]
Claims (9)
- Hydraulisch gedämpftes Spannsystem (
1 ), eingesetzt zum selbsttätigen Spannen eines Zugmittels in einem Zugmitteltrieb einer Brennkraftmaschine, das einen Zylinder (2 ) umfasst, in dem ein Kolben (3 ) linear verschiebbar geführt ist, wobei die Kolben-Zylindereinheit einen mit Hydraulikfluid gefüllten Druckraum (12 ) begrenzt und der Kolben (3 ) mit einer als Hohlkörper ausgebildeten, ein Reservoir (15 ) für das Hydraulikfluid bildenden Kolbenstange (4 ) verbunden ist, wobei abhängig von einer Bewegungsrichtung das Hydraulikfluid zur Dämpfung der Stellbewegung über eine als Leckspalt (13 ) ausgebildete Dämpfungseinrichtung verdrängt wird oder bei einer entgegengesetzten Stellbewegung über ein Einwegventil (16 ) zurückströmt und dem Kolben (3 ) weiterhin eine Überdruckeinheit (17 ) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Kolben integrierte Überdruckeinheit (17 ) einen angefederten Ventilhalter (18 ) umfasst, dem druckraumseitig ein federkraftbeaufschlagtes, als Plattenventil ausgebildetes Einwegventil (16 ) zugeordnet ist, und der Ventilhalter (18 ) und das Einwegventil (16 ) eine vormontierbare, in dem Kolben (3 ) einsetzbare Baueinheit bilden. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung einer Fluidströmung der von einem im Kolben (
3 ) eingesetzten Federmittel (24 ) beaufschlagte Ventilhalter (18 ) der Überdruckeinheit (17 ) von einem Dichtsitz (23 ) des Kolbens (3 ) abhebt und sich zwischen dem Kolben (3 ) und dem Ventilhalter (18 ) ein Ringspalt (30 ) für die Fluidströmung einstellt. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eliminierung einer Bypassströmung des Hydraulikfluids ein Dichtelement (
32 ) und/oder eine Führungsbuchse (33 ) in dem Leckspalt (13 ) zwischen dem Kolben (3 ) und dem Zylinder (2 ) eingesetzt ist. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhalter (
18 ) der Überdruckeinheit (17 ) an einem umlaufenden Innenbord (22 ) des Kolbens (3 ) über den Dichtsitz (23 ) kraftschlüssig abgestützt ist. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilhalter (
18 ) der Überdruckeinheit (17 ) eine zentrische Öffnung (26 ) einschließt und auf der dem Druckraum (12 ) zugewandten Seite einen Ventilsitz (27 ) bildet, der mit einem angefederten, als Ventilplatte (25 ) ausgebildeten Ventilkörper des Einwegventils (16 ) zusammenwirkt. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich an einem Zentrieransatz (
19 ), über den der Kolben (3 ) in der Kolbenstange (4 ) fixiert ist, ein radial nach außen gerichteter, an dem Zylinder (2 ) geführter Abschnitt (21 ) anschließt, der die Überdruckeinheit (17 ) außenseitig umschließt. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorspannung des Federmittels (
24 ) und folglich eine Dämpfungscharakteristik der Überdruckeinheit (17 ) durch die Gestaltung oder Formgebung des an dem Kolben (3 ) angeformten Innenbordes (22 ) beeinflusst werden kann. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Federmittel (
24 ) zumindest zwei den Ventilhalter (18 ) beaufschlagende, wechselsinnig angeordnete Tellerfedern oder Tellerfederpakete vorgesehen sind. - Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Hubbegrenzung des Ventilhalters (
18 ) dem Kolben (3 ) zumindest ein Anschlagelement (34 ) zugeordnet ist.
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