DE102016116477A1

DE102016116477A1 - Hydraulische Spannvorrichtung mit Präzisionsabströmbohrung und optimierter Innengeometrie

Info

Publication number: DE102016116477A1
Application number: DE102016116477.1A
Authority: DE
Inventors: Franz Wach; Christian Bauer; Steffen Latz
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Spannvorrichtung für einen Endlostrieb, insbesondere einen Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse verschiebbar geführten Kolben, der eine Hohlbohrung aufweist und mit dem Gehäuse einen Druckraum ausbildet, der Druckraum wird an einem Spannende des Kolbens durch eine Kolbenstirnwand begrenzt, in die ausgehend von der Kolbenbohrung eine Senkbohrung eingebracht ist, die Senkbohrung mündet in mindestens eine nach außen offene Abströmbohrung, die maßgeblich Einfluss auf das Dämpfungsverhalten der hydraulischen Spannvorrichtung nimmt, und mit einer im Druckraum angeordneten Druckfeder. Die mindestens eine Abströmbohrung ist als Präzisionsabströmbohrung ausgebildet und an der Innenseite der Kolbenstirnwand außerhalb der Senkbohrung ist eine senkrecht zu einer Längsachse des Kolbens verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulische Spannvorrichtung für einen Endlostrieb, insbesondere einen Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse und einem im Gehäuse verschiebbar geführten Kolben, der eine Hohlbohrung aufweist und mit dem Gehäuse einen Druckraum ausbildet, der Druckraum wird an einem Spannende des Kolbens durch eine Kolbenstirnwand begrenzt, in die ausgehend von der Kolbenbohrung eine Senkbohrung eingebracht ist, die Senkbohrung mündet in mindestens eine nach außen offene Abströmbohrung, die maßgeblich Einfluss auf das Dämpfungsverhalten der hydraulischen Spannvorrichtung nimmt, und mit einer im Druckraum angeordneten Druckfeder.
Eine solche Spannvorrichtung ist z. B. aus der DE 10 2009 041 363 A1 bekannt. Wichtig bei solchen Vorrichtungen ist, dass der Durchfluss des Hydraulikfluids durch einen zwischen dem Kolben und dem Gehäuse vorhandenen Spalt (Leckspalt) möglichst klein gehalten wird oder vollständig unterbunden wird, damit die Dämpfung der Spannvorrichtung maßgeblich durch die im Kolben angeordnete Abströmbohrung bestimmt wird. Neben der vollständigen Abdichtung des Leckspalts hat sich als einfache Maßnahme die Verkleinerung des Leckspalts auf Größen zwischen 5 μm und 50 μm bewährt. Bei der Bestimmung der Größe des Leckspalts ist darauf zu achten, dass dessen Einfluss auf die Dämpfungseigenschaft nicht zu groß wird und möglichst unter 50%, bevorzugt weit darunter, bleibt. Die Außenfläche der Kolbenstirnwand drückt in aller Regel gegen einen entsprechend ausgestalteten Aufdrückbereich an einer Spannschiene auf, die dadurch gegen das Endloselement, insbesondere die Kette, gedrückt wird. Aufgrund der Schwenkbewegung der Spannschiene ist zu beachten, dass das Ausströmen des Hydraulikfluids aus der Abströmbohrung möglichst nicht behindert wird, so dass kein zusätzlicher Einfluss auf das Dämpfungsverhalten vorhanden ist. Derartige hydraulische Spannvorrichtungen werden sehr häufig im Steuertrieb eines Verbrennungsmotors eingesetzt und sind an die Motorölhydraulik angeschlossen. Das Motoröl weist Verunreinigungen auf, die z. B. vor Erreichen der Druckkammer der Spannvorrichtung herausgefiltert werden können. Dennoch ist eine gewisse Toleranz gegenüber den Verunreinigungen erforderlich. Auch im Inneren der derartigen hydraulischen Spannvorrichtungen soll die Strömung des Hydraulikfluids zur und durch die Abströmbohrung möglichst nicht beeinflusst werden. Es ist deswegen notwendig, dass diese Spannvorrichtungen auch ohne bisher übliche Füllkörper betrieben werden können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische Spannvorrichtung der eingangs genannten Art hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit zu verbessern.
Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die mindestens eine Abströmbohrung als Präzisionsabströmbohrung ausgebildet ist und an der Innenseite der Kolbenstirnwand außerhalb der Senkbohrung eine senkrecht zu einer Längsachse des Kolbens verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder ausgebildet ist.
Die für die Präzisionsabströmbohrung erforderlichen Querschnitte lassen sich sehr einfach mittels Laserbohren erzeugen. Die mit dieser Technik erzielbaren Strömungsquerschnitte sind äußerst genau, weshalb eine Abstimmung der Dämpfung mit hoher Präzision durchgeführt werden kann. Darüber hinaus eignet sich das Laserbohren auch für die Massenproduktion, die im Kfz-Bereich hauptsächlich vorliegt. Die Präzisionsabströmbohrung kann aber auch mittels Präzisionswasserstrahlschneiden, Laserschneiden, Feinbohren, Funkenerodieren oder Wendelbohren hergestellt werden. Durch die senkrecht zur Längsachse des Kolbens verlaufende Anlagefläche ist ein sicherer Sitz der Druckfeder an dem Kolben gegeben, sodass der Kolben entlang der Längsachse im Zylinder verschiebbar ist und die Gefahr eines Verkeilens oder eines undefinierten Sitzes des Kolbens im Gehäuse minimiert wird. Es ist nun nicht mehr notwendig, dass die Druckfeder an dem Kopf eines Füllkörpers angreift und diesen gegen den Kolben drückt. Als Druckfeder wird vorzugsweise eine Schraubendruckfeder oder eine Wellfeder verwendet.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen werden, dass der Übergang von einer Mantelfläche der Hohlbohrung im Kolben zur Innenseite der Kolbenstirnwand graduell ausgebildet ist. Damit ist gemeint, dass der Übergang von der Mantelfläche zur Innenseite der Kolbenstirnwand nicht sprunghaft sondern allmählich erfolgt. Dies kann kontinuierlich, z. B. durch eine konkave Abrundung, oder stufenweise sein. Dadurch werden die Strömungstotgebiete im Kolben reduziert und somit auch die Gefahr von Luftansammlungen im Kolben, die zu starken dynamischen Kolbenbewegungen, Rückschlagventilprellen und Verschäumungen in im Öl führen kann, verringert.
Es hat sich gezeigt, dass eine Optimierung der Strömung möglich ist, wenn der Übergang zwischen der Mantelfläche der Hohlbohrung und der Innenseite der Kolbenstirnwand konkav ausgebildet ist und in mindestens einem Bereich einen Radius des 0,002-fachen bis einfachen, bevorzugt 0,01-fachen des Durchmessers der Hohlbohrung aufweist.
Eine weitere Reduzierung von Strömungstotgebieten, und damit von Luftansammlungen im Kolben, kann erreicht werden, wenn der Übergang von der Innenseite der Kolbenstirnwand zur Senkbohrung eine konvexe Abrundung bildet. Durch diese Abrundung wird auch ein rascher Luftausstoß durch die Präzisionsabströmbohrung erreicht, falls doch Luft in den Druckraum der Spannvorrichtung eingetreten ist.
Wenn der Radius der konvexen Abrundung zwischen der Innenseite der Kolbenstirnwand und der Senkbohrung etwa das 0,002-fache bis einfache, bevorzugt das 0,01-fache des Durchmessers der Hohlbohrung beträgt, können Strömungstotgebiete und Luftansammlungen besonders effizient vermieden werden.
Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung von Strömungstotgebieten und Luftansammlungen im Druckraum der Spannvorrichtung kann darin bestehen, dass die Senkbohrung eine senkrecht zur Längsachse des Kolbens angeordneten Grund aufweist und der Übergang von einer Mantelfläche der Senkbohrung zum Grund der Senkbohrung eine konkave Abrundung bildet.
Es hat sich gezeigt, dass diese Maßnahme besonders dann erfolgreich ist, wenn der Radius der konkaven Abrundung zwischen der Mantelfläche und dem Grund der Senkbohrung etwa das 0,002-fache bis einfache, bevorzugt das 0,01-fache des Durchmessers der Hohlbohrung beträgt.
Eine weitere Optimierung der Innengeometrie des Kolbens kann darin bestehen, dass die Senkbohrung kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Auch hierdurch wird ein verbesserter Strömungsverlauf des Hydraulikfluids durch die Hohlbohrung, die Senkbohrung und die Präzisionsabströmbohrung erreicht. Zudem kann im System befindliche Luft gut ausgestoßen werden. Eine alternative Form für eine Senkbohrung, die für einen guten Luftausstoss sorgt, ist eine Halbkugelform.
In einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass die Tiefe des Senkbohrung größer oder gleich ist der Länge der Präzisionsabströmbohrung. Die Senkbohrung und die Präzisionsabströmbohrung erstrecken sich vom Hohlzylinder durch die Kolbenstirnwand hindurch. Die Gesamtlänge von Senkbohrung und Präzisionsabströmbohrung wird daher durch die Wandstärke der Kolbenstirnwand vorgegeben. Je größer die Tiefe der Senkbohrung, desto kürzer ist die Länge der Präzisionsabströmbohrung. Um eine möglichst gute Dämpfung zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die Länge der Präzisionsabströmbohrung möglichst gering ist. Die Präzisionsabströmbohrung weist dann im Wesentlichen das Verhalten einer viskositätsunabhängigen Blende auf. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Länge des kleinsten Strömungsquerschnitts gegenüber der charakteristischen Größe (z. B. Durchmesser) des Strömungsquerschnitts zurücktritt. Dann kommen die bei einer Blende gängigen Gleichungen für die Berechnungen des hydraulischen Widerstands zur Anwendung. Die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit spielt hierbei im Wesentlichen keine Rolle, weshalb die so erzeugte Dämpfung auch temperaturunabhängig arbeitet, was insbesondere für den Betrieb an einem Verbrennungsmotor von sehr großem Vorteil ist. In aller Regel wird die Bestimmung, ob eine Präzisionsabströmbohrung als viskositätsunabhängige Blende wirkt, nur experimentell zu bestimmen sein und maßgeblich von der Reynolds-Zahl abhängen. Überschreitet die Reynolds-Zahl einen kritischen Wert, wird eine laminare Strömung anfällig gegen kleinste Störungen und es ist mit einem Umschlag von laminarer auf turbulente Strömung zu rechnen. Erst oberhalb dieses kritischen Wertes findet die Blendengleichung Anwendung.
Es kann ferner auch vorgesehen sein, dass der Öffnungswinkel der kegelstumpfförmigen Senkbohrung etwa 30–90°, vorzugsweise 45–75° beträgt. Auch hierdurch wird zur Optimierung der Innengeometrie des Kolbens beigetragen, die zu einem besseren Strömungsverhalten des Hydraulikfluids, zur Vermeidung von Luftansammlungen im Druckraum und zu einem leichteren Ausstoßen von im Druckraum des Kolbens befindlicher Luft führt.
In noch einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Präzisionsabströmbohrungen vorgesehen sind, die sich ausgehend von der Senkbohrung schräg nach außen erstrecken. Dadurch können Turbulenzen erzeugt werden, die zu einem besseren Dämpfungsverhalten beitragen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass sich die Präzisionsabströmbohrungen schneiden. An der Schnittstelle werden zusätzliche Turbulenzen erzeugt, die ebenfalls für eine Verbesserung des Dämpfungsverhaltens sorgen.
Darüber hinaus kann die charakteristische Größe des kleinsten Strömungsquerschnitts der Präzisionsabströmbohrung 0,1 bis 0,8 mm, bevorzugt 0,15 bis 0,3 mm, betragen. Bei einer häufig eingesetzten zylindrischen Präzisionsabströmbohrung handelt es sich bei der charakteristische Größe um den Durchmesser des Zylinders. Die Präzisionsabströmbohrung kann allerdings auch andere Formen annehmen und zum Beispiel konusförmig ausgebildet sein. Es handelt sich hierbei um relativ kleine Abmessungen, die besonders gut durch Laserbohren zu erzeugen sind. Aufgrund dieser präzisen Durchmessererzeugung des kleinsten Strömungsquerschnitts, lässt sich das Dämpfungsverhalten sehr gut vorherbestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es dabei von Vorteil, wenn der Leckspalt zwischen dem Gehäuse und dem Kolben 0 bis 50 μm, bevorzugt 10 bis 30 μm, besonders bevorzugt 10–25 μm beträgt. Selbstverständlich ist es am günstigsten, wenn der Leckspalt komplett abgedichtet wäre. Aus Kostengründen ist es jedoch in aller Regel zu bevorzugen, auf zusätzliche Dichtungselemente zu verzichten und mit einer Leckspaltdichtung zu arbeiten. Hierbei kommen gängige und in der Serienherstellung gut anwendbare Toleranzen zum Einsatz, die zu Leckspaltgrößen (Durchmesserdifferenz zwischen Kolben und Kolbenbohrung im Gehäuse) führen. Experimentell wurde z. B. herausgefunden, dass ein ausreichend geringer Einfluss auf das Dämpfungsverhalten für die gängigsten Spannvorrichtungsgrößen dann vorliegt, wenn der gesamte Leckspalt so um die 20 μm beträgt.
In noch einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die senkrecht zur Längsachse des Kolbens verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder eine charakteristische Länge aufweist, die das 0,01-fache, bevorzugt 0,1-fache, besonders bevorzugt das 0,25-fache des Durchmessers der Hohlbohrung beträgt. Üblicherweise ist der Kolben und damit auch die im Kolben ausgebildete Hohlbohrung mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Die Anlagefläche für die Druckfeder ist daher vorzugsweise kreisringförmig. In diesem Fall ist die charakteristische Länge die Breite des Kreisrings. Mit den angegeben Bereichen wird eine gute und sichere Anlage der Druckfeder an der Anlagefläche ermöglicht.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die senkrecht zur Längsachse des Kolbens verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder konzentrisch zur Längsachse des Kolbens ausgebildet ist. Dadurch werden eine einfache Fertigung und eine gute Zentrierung der Druckfederung in der Hohlbohrung ermöglicht.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Endlostrieb eines Verbrennungsmotors mit einem angetriebenen Rad, mindestens einem abgetriebenen Rad, einem die Räder koppelnden flexiblen Endlostriebmittel, wie Kette oder Riemen und einer oben beschriebenen Spannvorrichtung.
In modernen Verbrennungsmotoren werden zunehmend Nebenaggregate eingesetzt, welche in verschiedenen Betriebspunkten regelbar, bis hin zu abschaltbar wirken. Ein Beispiel dafür sind regelbare Ölpumpen. Regelbare Ölpumpen liefern bei Motorleerlauf einen sehr geringen Ölvo-lumenstrom bei folglich auch reduziertem Systemdruck. Bislang bei Spannvorrichtungen bekannte Füllkörpervarianten oder gängige Entlüftungsbohrungen stoßen in derartigen Motorbetriebsbereichen immer öfter an die Grenzen ihrer funktionellen Tauglichkeit, da diese Systeme im Vergleich zu Präzisionsabströmbohrungen höhere Ölvolumenströme benötigen, um richtig zu arbeiten. Deshalb kam es bei bislang verwendeten Spannvorrichtungen zu einer Art Mangelölversorgung, welche die folgenden, oft in Kombination auftretenden Nachteile aufweisen können: „Leerlaufen” der Ölgalerie, Ansaugen bzw. Eindringen von Luft, welche gegenüber Öl stark kompressibel ist, starke dynamische Kolbenbewegungen, Rückschlagventilprellen und Verschäumungen im Öl, was wiederum zur Folge hat, dass Füllkörper undefinierbare Lagen im Sitz erreichen und sogar abheben, bzw. ausgehebelt werden. Eine weitere Herausforderung, welche sich aktuell und in Zukunft gehäuft ergibt, ist die Verwendung besonders niederviskoser Motoröle. Diese niederviskosen Motoröle strömen viel leichter und mit viel geringerem Widerstand durch Füllkörperspalte, Leckspalte und andere im Strömungsweg bisher angeordnete Elemente zur Ölflussführung und Systementlüftung. Die erfindungsgemäßen Präzisionsabströmbohrungen, welche sich mit neuartigen Herstellverfahren in sehr kleinen Durchmessern, abstimmbaren Formen und auch abstimmbaren Bohrungslängen herstellen lassen, sind vergleichbar exakt auf Volumenströme und Motoranforderungen herstellbar. Spannvorrichtungseigenschaften können so zielgerichtet und präzise auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden. Wechselwirkung zwischen Ventilen, Füllkörpern und anderen Kettenspannereinzelkomponenten werden somit minimiert. Z. B. kann eine Abströmbohrung mit sehr kleinem Durchmesser (z. B. 0,2 mm) und einer genau abgestimmte Länge in entsprechender Mündungsform in Verbindung mit geeignetem Dämpfungsspalt zwischen Gehäuse und Kolben für eine harte Kettenspannerabstimmung sorgen.
Um diese Merkmale weiter positiv beeinflussen zu können, kann auch die Innenform des Kolbens optimiert werden. Mit dieser optimierten Innenform wird z. B. das Ansammeln von Luft in Strömungstotgebieten verhindert, Luft wird somit direkt durch die Präzisionsabströmbohrung ausgestoßen. Da sich die Luft also im Kolben nicht ansammeln kann, werden die oben beschriebenen Fehlfunktionen zusätzlich wirksam verhindert. Die Realisierung einer idealhydraulischen Blende kann ebenfalls durch ein nachträgliches Laserbohren von der Kolbenstirnseite her erreicht werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Vorderansicht eines Steuerkettentriebs,
2 eine hydraulische Spannvorrichtung im Vollschnitt,
3 eine erste Variante eines Stirnseitenbereichs eines Kolbens einer hydraulischen Spannvorrichtung im Vollschnitt,
4 eine zweite Variante eines Stirnseitenbereichs eines Kolbens einer hydraulischen Spannvorrichtung im Vollschnitt, und
5 eine dritte Variante eines Stirnseitenbereichs eines Kolbens einer hydraulischen Spannvorrichtung.
Der in 1 dargestellte Steuerkettentrieb 1 (Endlostrieb) eines Verbrennungsmotors umfasst zwei oben liegende Nockenwellenkettenräder 3.1, 3.2, ein unten liegendes Kurbelwellenkettenrad 2, eine um diese herumgeschlungene Steuerkette 4, eine Führungsschiene 5 zur Führung der Steuerkette 4 im Lasttrum und eine schwenkbar angeordnete Spannschiene 6, die im Leertrum des Steuerkettentriebs 1 auf die Steuerkette 4 drückt. Dabei wird die Spannschiene 6 mittels einer am Motorblock 9 befestigten, hydraulisch betätigten Spannvorrichtung 8 an die Steuerkette 4 gedrückt. Die als Einschraubkettenspanner ausgebildete Spannvorrichtung 8 ist dabei an die Motorölhydraulik angeschlossen, so dass der Kolben 10 der Spannvorrichtung 8 auf den Andrückbereich 7 der schwenkbar angeordneten Spannschiene 6 drückt. Die Erfindung ist unabhängig von der konkreten Form der Spannvorrichtung 8 (z. B. Einschraubkettenspanner, Flanschspanner, integrierte Lösung etc.).
Die Spannvorrichtung 8 weist im Zulaufbereich für das Motoröl ein Rückschlagventil auf, das lediglich ein Einströmen in einen zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse 11 der Spannvorrichtung 8 gebildeten Druckraum zulässt. Bei Einfahren des Kolbens 10 schließt sich das Rückschlagventil. Des Weiteren findet sich im Inneren des Druckraums eine Druckfeder, beispielsweise eine Schraubendruckfeder oder eine Wellfeder, deren eines Ende sich am Gehäuse 11 und das andere Ende am Kolben 10 abstützt und somit den Kolben 10 aus der Aufnahmebohrung im Gehäuse 11 herausdrückt. Des Weiteren kann die Spannvorrichtung 8 noch eine Nachstelleinrichtung, Transportsicherung und Ähnliches aufweisen. Der Leckspalt zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse 11 ist sehr klein ausgebildet, damit dieser am Dämpfungsverhalten der Spannvorrichtung 8 nur untergeordnet teilnimmt. Im vorliegenden Fall beträgt die Durchmesserdifferenz des Kolbens 10 und der Aufnahmebohrung des Gehäuses 20 μm.
In den 2 und 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Spannvorrichtung 8 gezeigt. Das Gehäuse 11 ist als Flanschspannergehäuse ausgestaltet. Es weist eine zylindrische Gehäusebohrung 12 auf, in der der Kolben 10 längsbeweglich geführt ist. Im Grund 13 der Gehäusebohrung 12 ist eine Rückschlagventil 14 angeordnet, das die Zuströmung von Hydraulikfluid in einen zwischen dem Kolben 10 und dem Gehäuse 11 gebildeten Druckraum 15 zulässt, aber in die Gegenrichtung sperrt. Das Gehäuse 11 weist ferner einen Zulauf 16 auf, der an die Motorölhydraulik angeschlossen ist. Der Kolben 10 ist auf seiner Rückseite mit einer Hohlbohrung 17 versehen, die am unteren Ende leicht konisch nach außen verläuft. In der Hohlbohrung 17 und somit in dem Druckraum 15 ist eine Schraubendruckfeder 18 angeordnet. Wie bereits beschrieben kann auch eine andere Druckfeder, z. B. eine Wellfeder verwendet werden. Das untere Ende der Schraubendruckfeder 18 stützt sich am Grund 13 bzw. am Rückschlagventil 14 ab und das obere Ende der Schraubendruckfeder 18 liegt an einer senkrecht zur Längsachse A_K des Kolbens 10 verlaufenden Anlagefläche 19 an. Der Übergang 20 von der Mantelfläche der Hohlbohrung 17 zur Anlagefläche 19 (Innenseite der Kolbenstirnwand) ist konkav abgerundet mit einem Radius, der in etwa dem 0,002-fachen bis einfachen, bevorzugt dem 0,01-fachen des Durchmessers D_H der Hohlbohrung 17 entspricht.
In der Stirnfläche 21 des Kolbens 10 befindet sich koaxial zur Längsachse A_K eine Präzisionsabströmbohrung 22, die vorzugsweise durch Laserbohren hergestellt ist. Die Präzisionsabströmbohrung kann aber auch durch Präzisionswasserstrahlschneiden, Laserschneiden, Feinbohren, Funkenerodieren oder Wendelbohren hergestellt werden. Ebenfalls koaxial zur Längsachse des Kolbens A_K ist eine konisch ausgebildete Senkbohrung 23 in die Anlagefläche 19 eingearbeitet. Der Strömungsquerschnitt der Senkbohrung 23 verringert sich in Abströmrichtung. Die Senkbohrung 23 weist einen Grund 24 auf, der senkrecht zur Längsachse A_K des Kolbens verläuft. Die Läge L_P der Präzisionsabströmbohrung 22 wird durch den Abstand zwischen der Stirnfläche 21 und dem Grund 24 der Senkbohrung 23 bestimmt. Der Öffnungswinkel α der kegelstumpfförmigen Senkbohrung 23 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 30° und die Tiefe T_S der Senkbohrung 23 ist größer als die Länge L_P der Präzisionsabströmbohrung 22. Im vorliegenden Fall ist die Tiefe T_S zweimal größer als die Länge L_P. Zwischen der Mantelfläche und dem Grund (Stirnfläche) der Senkbohrung 23 ist eine konkave Abrundung 25 vorhanden. Die Abrundung 25 weist einen Radius auf, der etwa dem 0,002-fachen bis einfachen, bevorzugt dem 0,01-fachen des Durchmessers D_H der Hohlbohrung 17 entspricht. Eine konkave Abrundung 26 ist zwischen der Innenseite 19 der Kolbenstirnwand und der Senkbohrung 23 gebildet. Die Abrundung 26 weist einen Radius auf, der etwa dem 0,002-fachen bis einfachen, bevorzugt dem 0,01-fachen des Durchmessers D_H der Hohlbohrung 17 entspricht.
Wie oben beschrieben, weist die Präzisionsabströmbohrung 22 eine Länge L_P auf, die der Stärke des Stirnbereichs (Kolbenstirnwand) zwischen der Stirnfläche 21 und dem Grund 24 der Senkbohrung 23 entspricht. Die Präzisionsabströmbohrung 22 weist einen kleinsten Strömungsquerschnitt mit dem Durchmesser D_K auf. Aufgrund des kleinsten Durchmessers D_K und der Länge L_P wirkt die Präzisionsabströmbohrung 22 als Blende, die eine viskositätsunabhängige Abströmung des Motoröls gewährleistet und eine zugehörige viskositätsunabhängige Dämpfung bewirkt. Für die Berechnung des hydraulischen Widerstands kommt die Blendengleichung zur Anwendung. Bei der dargestellten Variante kommt kein Füllkörper zur Anwendung, der die Zuströmung aus dem Druckraum 15 in die Präzisionsabströmbohrung 22 in irgendeiner Weise behindert oder beeinflusst. Es besteht aber durchaus die Möglichkeit, einen solchen Füllkörper zu verwenden, sofern er die Abströmung durch die Präzisionsabströmbohrung 22 nicht nennenswert beeinflusst.
Die Gesamtdämpfung der Spannvorrichtung 8 ergibt sich selbstverständlich im Zusammenspiel mit dem noch vorhandenen Leckspalt. Da dieser aber sehr klein ausfällt, wird die maßgebliche Dämpfung von der Präzisionsabströmbohrung 22 bestimmt. Darüber hinaus führt der relativ kleine Leckspalt zu einer besseren Führung des Kolbens 10 im Gehäuse 11. Das präzise Abströmen des Motoröls gewährleistet auch, dass ein solches System in Verbindung mit einer geregelten Ölpumpe verwendet werden kann. Aufgrund des konkaven Übergangs 20 sowie der konkaven Abrundung 25 und der konvexen Abrundung 26 wird vermieden, dass sich Totgebiete ausformen, in denen sich Luft ansammeln kann. Auch die kegelstumpfförmige Form der Senkbohrung 23 trägt zum schnellen Abströmen der Luft aus der Druckkammer 15 bei.
Im Folgenden wird nunmehr eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der 4 näher erläutert. Ein derartig ausgestalteter Kolben kann ohne weiteres anstelle des in 2 und 3 eingefügten Kolbens in das Gehäuse 11 eingesetzt werden. Gegebenenfalls muss die Länge der Schraubendruckfeder 18 daran angepasst werden. Im Folgenden wird nur auf die wesentlichen Unterschiede zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel eingegangen. Es werden aus diesem Grund, und soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen verwendet und ergänzend auf die obige Beschreibung verwiesen.
Der Unterschied besteht darin, dass die Hohlbohrung 17 tiefer in den Kolben 10 hineingebohrt ist, wodurch der Abstand zwischen der Anlagefläche 19 und der Stirnfläche 21 geringer ausfällt. Zusätzlich fällt die Tiefe T_S der Senkbohrung 23 geringer aus. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Länge L_P der Präzisionsabströmbohrung 22 und die Tiefe T_S der Senkbohrung 23 im Wesentlichen identisch. Die Abströmverhältnisse werden durch diese Umgestaltung etwas anders, wodurch auch das Dämpfungsverhalten entsprechend angepasst ist. Des Weiteren wird ein etwas größerer Öffnungswinkel α für die kegelstumpfförmige Senkbohrung 23 verwendet. Dieser beträgt im vorliegenden Fall ca. 60°.
Werden die Übergänge 20, 26, 25 zwischen der Mantelfläche der Hohlbohrung 17 und der Anlagefläche 19, zwischen der Anlagefläche 19 und der Senkbohrung 23 und zwischen der Senkbohrung 23 und dem Grund der Senkbohrung 23 mit großen Radien ausgebildet, so ist ein nahezu kuppelförmiger Verlauf der Senkbohrung 23 möglich. Dabei muss darauf geachtet werden, dass dennoch die senkrecht zur Längsachse A_K des Kolbens 10 verlaufende Anlagefläche 19 für die Druckfeder 18 ausgebildet ist.
Im Folgenden wird nunmehr anhand der 5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Ein derartig ausgestalteter Kolben kann ohne weiteres anstelle des in 2 beschriebenen Kolbens in das Gehäuse 11 eingesetzt werden. Im Folgenden wird nur auf die wesentlichen Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen eingegangen. Es werden aus diesem Grund, und soweit möglich, die gleichen Bezugszeichen verwendet und ergänzend auf die obige Beschreibung verwiesen.
Der Unterschied besteht darin, dass anstelle einer einzigen Präzisionsabströmbohrung 22 nunmehr drei Präzisionsabströmbohrungen 22.1, 22.2 und 22.3 verwendet werden. Die Präzisionsabströmbohrung 22.2 erstreckt sich koaxial zur Längsachse A_K. Die beiden Präzisionsabströmbohrungen 22.1 und 22.3 erstrecken sich jeweils gegenläufig schräg nach außen. Sämtliche drei Präzisionsabströmbohrungen 22 beginnen am Grund 24 der Senkbohrung 23 und schneiden sich im Bereich der Längsachse A_K. Jede der Präzisionsabströmbohrungen 22.1, 22.2 und 22.3 weist eine geradlinige Mittellinie auf. Der Durchmesser der Präzisionsabströmbohrung 22.1, 22.2 und 22.3 beträgt jeweils 0,2 mm. Aufgrund dieser Anordnung wird wiederum eine noch turbulentere Strömung erzeugt, wodurch viel eher eine viskositätsunabhängige Dämpfung erzielbar ist. Insbesondere die Anordnung der Präzisionsabströmbohrungen 22.1 und 22.3 in der Nähe der Abrundung 25 sorgt dafür, dass an dieser Stelle sehr schnell und einfach Luft und auch Öl abströmen kann. Die Präzisionsabströmbohrungen 22.1, 22.2 und 22.3 müssen sich nicht zwangsläufig wie in 5 dargestellt in einer Ebene erstrecken, sondern können gleichmäßig verteilt um die Längsachse A_K herum angeordnet sein, sodass sie am Grund 24 und an der Stirnfläche 21 nicht in einer Linie enden. Ein ähnlicher Effekt kann auch noch durch zusätzliche Präzisionsabströmbohrungen 22 erzeugt werden, die schräg zu der in 5 dargestellten Ebene verlaufen.
Wichtig ist bei den Präzisionsabströmbohrungen 22, dass sie einen kleinen Strömungsquerschnitt ausbilden, der maßgeblich das Dämpfungsverhalten vorgibt. Die vorgeschaltete Senkbohrung 23 sowie der Übergang 20 und die Abrundungen 25 und 26 dienen der besseren Zuleitung des in der Druckkammer 15 vorhandenen Fluids (Öl und Luft). Insbesondere beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors wird eventuell im Druckraum 15 enthaltene Luft schnellstmöglich abgeführt und beeinflusst nicht länger das Dämpfungsverhalten. Mittels Laserbohren lassen sich exakte Strömungsquerschnitte dieser Präzisionsabströmbohrungen 22 erzielen, sodass eine präzise Einstellung der Dämpfung möglich ist. Von Vorteil ist bei einer als Blende wirkende Präzisionsabströmbohrung die viskositätsunabhängige bzw. temperaturunabhängige Dämpfung zu sehen.
Bezugszeichenliste

1: Steuerkettentrieb
2: Kurbelwellenkettenrad
3.1, 3.2: Nockenwellenkettenrad
4: Steuerkette
5: Führungsschiene
6: Spannschiene
7: Andrückbereich
8: Spannvorrichtung
9: Motorblock
10: Kolben
11: Gehäuse
12: Gehäusebohrung
13: Grund
14: Rückschlagventil
15: Druckraum
16: Zulauf
17: Hohlbohrung
18: Schraubendruckfeder
19: Innenseite der Kolbenstirnwand (Anlagefläche)
20: Übergang
21: Stirnfläche
22: Präzisionsabströmbohrung
23: Senkbohrung
24: Grund
25: Abrundung
26: Abrundung
α: Öffnungswinkel
T_S: Tiefe Senkbohrung
A_K: Längsachse Kolben
D_H: Durchmesser Hohlbohrung
L_P: Länge Präzisionsabströmbohrung
D_K: kleinster Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009041363 A1 [0002]

Claims

Hydraulische Spannvorrichtung (8) für einen Endlostrieb, insbesondere einen Steuerkettentrieb (1) eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse (11) und einem im Gehäuse (11) verschiebbar geführten Kolben (10), der eine Hohlbohrung (17) aufweist und mit dem Gehäuse (11) einen Druckraum (15) ausbildet, der Druckraum (15) wird an einem Spannende des Kolbens (10) durch eine Kolbenstirnwand begrenzt, in die ausgehend von der Hohlbohrung (17) eine Senkbohrung (23) eingebracht ist, die Senkbohrung (23) mündet in mindestens eine nach außen offene Abströmbohrung, die maßgeblichen Einfluss auf das Dämpfungsverhalten der hydraulischen Spannvorrichtung (8) nimmt, und mit einer im Druckraum (15) angeordneten Druckfeder (18), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abströmbohrung als Präzisionsabströmbohrung (22) ausgebildet ist und an der Innenseite (19) der Kolbenstirnwand außerhalb der Senkbohrung (23) eine senkrecht zu einer Längsachse (A_K) des Kolbens (10) verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder (18) ausgebildet ist.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (20) von einer Mantelfläche der Hohlbohrung (17) zur Innenseite (19) der Kolbenstirnwand graduell ausgebildet ist.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (20) zwischen der Mantelfläche der Hohlbohrung (17) und der Innenseite (19) der Kolbenstirnwand konkav ausgebildet ist und in mindestens einem Bereich einen Radius des 0,002-fachen bis einfachen, bevorzugt des 0,01-fachen des Durchmessers (D_H) der Hohlbohrung (17) aufweist.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von der Innenseite (19) der Kolbenstirnwand zur Senkbohrung (23) eine konvexe Abrundung (26) bildet.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der konvexen Abrundung (26) zwischen der Innenseite (19) der Kolbenstirnwand und der Senkbohrung (23) etwa das 0,002-fache bis einfache, bevorzugt das 0,01-fache des Durchmessers (D_H) der Hohlbohrung (17) beträgt.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Senkbohrung (23) einen senkrecht zur Längsachse (A_K) des Kolbens (10) angeordneten Grund (24) aufweist und der Übergang von einer Mantelfläche der Senkbohrung (23) zum Grund (24) der Senkbohrung (23) eine konkave Abrundung (25) bildet.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius der konkaven Abrundung (25) zwischen der Mantelfläche und dem Grund (24) der Senkbohrung (23) etwa das 0,002-fache bis einfache, bevorzugt das 0,01-fache des Durchmessers (D_H) der Hohlbohrung (17) beträgt.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Senkbohrung (23) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (T_S) der Senkbohrung (23) größer oder gleich lang ist wie die Länge (L_P) der Präzisionsabströmbohrung (22).
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel (α) der kegelstumpfförmigen Senkbohrung (23) etwa 30° bis 90°, vorzugsweise 45° bis 75°, beträgt.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Präzisionsabströmbohrungen (22) vorgesehen sind, die sich ausgehend von der Senkbohrung (23) schräg nach außen erstrecken.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Präzisionsabströmbohrungen (22) schneiden.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_K) der mindestens einen Präzisionsabströmbohrung (22) 0,1–0,8 mm, bevorzugt 0,15–0,3 mm, beträgt.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leckspalt zwischen dem Gehäuse (11) und dem Kolben (10) 0–50 μm, bevorzugt 10–30 μm, besonders bevorzugt 10–25 μm beträgt.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Längsachse (A_K) des Kolbens (10) verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder (18) eine charakteristische Länge des 0,01-fachen, bevorzugt des 0,1-fachen, besonders bevorzugt des 0,25-fachen des Durchmessers (D_H) der Hohlbohrung aufweist.
Hydraulische Spannvorrichtung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zur Längsachse (A_K) des Kolbens (10) verlaufende Anlagefläche für die Druckfeder (18) konzentrisch zur Längsachse (A_K) des Kolbens (10) ausgebildet ist.
Endlostrieb (1) eines Verbrennungsmotors mit einem angetriebenen Rad (2), mindestens einem abgetriebenen Rad (3.1, 3.2), einem die Räder (2; 3.1, 3.2) koppelnden flexiblen Endlostriebmittel, wie einer Kette (4) oder einem Riemen, und einer Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1–16.