DE102017108817A1

DE102017108817A1 - Autarke Spannvorrichtung mit Innenhülse

Info

Publication number: DE102017108817A1
Application number: DE102017108817.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Zimmermann; Franz Wach; Sebastian Berg
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-10-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine autarke Spannvorrichtung für einen Endlostrieb, insbesondere für einen Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse, einem in einer Kolbenbohrung verschiebbar geführten Spannkolben, einem in der Kolbenbohrung angeordneten, vom Spannkolben einseitig begrenzten, Hochdruckraum für ein Hydraulikmittel und einem Reservoir für das Hydraulikmittel, das über eine Fluidzuführung zum Hochdruckraum und über eine Fluidrückführung zum Reservoir mit dem Hochdruckraum in Fluidverbindung steht. Das Gehäuse umfasst eine Außenhülse und eine Innenhülse, wobei die Innenhülse die Kolbenbohrung ausbildet, die Innenhülse radial in der Außenhülse aufgenommen ist und die Fluidrückführung zumindest teilweise zwischen der Außenhülse und der Innenhülse angeordnet ist. Dabei ermöglicht eine Ausbildung dieser Spannvorrichtung als ein von außen in das Motorgehäuse einbringbarer autarker Einschraub- oder Einsteckspanner die Einbindung einer solchen autarken Spannvorrichtung in die Service- und Wartungsintervalle von Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einer solchen autarken Spannvorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine autarke Spannvorrichtung für einen Endlostrieb, insbesondere für einen Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse, einem in einer Kolbenbohrung verschiebbar geführten Spannkolben, einem in der Kolbenbohrung angeordneten, vom Spannkolben einseitig begrenzten Hochdruckraum für ein Hydraulikmittel und einem Reservoir für das Hydraulikmittel, das über eine Fluidzuführung zum Hochdruckraum und über eine Fluidrückführung zum Reservoir mit dem Hochdruckraum in Fluidverbindung steht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einer solchen autarken Spannvorrichtung.
Hydraulische Spannvorrichtungen, die als Ketten- oder Riemenspanner in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, weisen zwischen dem Spannkolben und dem Spannergehäuse einen Druckraum auf, der zur Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens mit einem Hydraulikmittel gefüllt ist und über ein Rückschlagventil direkt mit einer kontinuierlichen Hydraulikmittelversorgung in Verbindung steht, um das bei der Dämpfung des Spannkolbens aus dem Druckraum austretende Hydraulikmittel wieder zu ersetzen. In dem Druckraum ist üblicherweise auch eine Druckfeder zum Vorspannen des Spannkolbens angeordnet. Zur Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens ist gegenüber der Kolbenbohrung ein Drosselspalt oder an der Stirnseite des Spannkolbens eine Drosselöffnung vorgesehen, um bei einem Druckanstieg des Hydraulikmittels im Druckraum ein Entweichen des Hydraulikmittels zu ermöglichen. Beim Einsatz solcher einfachen Spannvorrichtungen in einem Verbrennungsmotor kann das bei der Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens entweichende Hydraulikmittel über die Verbindung mit dem Motorölkreislauf einfach ersetzt werden.
Bei der Dämpfung der Einfahrbewegung steht das Hydraulikmittel im Druckraum unter einem hohen Druck, um auch bei relativ harten und kräftigen Schwingungsstößen auf den Spannkolben ein zu weites Einfahren des Spannkolbens in die Kolbenbohrung zu verhindern. Je nach Einbaulage der Spannvorrichtung und der Hydraulikmittelversorgung mit dem Motorölkreislauf kann es zu einer teilweisen oder vollständigen Entleerung des Druckraums kommen. Darum kann es insbesondere beim Starten des Motors zu einer nahezu ungedämpften Einfahrbewegung des Spannkolbens kommen, wodurch nicht nur ein unerwünschtes Klappern des Verbrennungsmotors sondern auch ein Überspringen der Steuerkette oder eines Zahnriemens verursacht werden kann. Dieser Effekt verstärkt sich bei einer verschleißbedingten Längung der Antriebskette oder des Zahnriemens.
Zur Verhinderung einer unerwünschten Einfahrbewegung des Spannkolbens in die Kolbenbohrung gibt es bei einfachen Spannvorrichtungen sowohl rein mechanische Arretiereinrichtungen, die mit Hilfe federbelasteter Rastelemente die Einfahrbewegung des Spannkolbens blockieren, als auch hydraulisch betätigte Nachstelleinrichtungen, die eine kontinuierliche Verlagerung des Arbeitsbereichs des Spannkolbens ermöglichen. Die Konzepte einer kontinuierlichen Verlagerung des Arbeitsbereichs des Spannkolbens benötigen immer auch eine externe Versorgung des Druckraums mit einem Hydraulikmittel.
Darüber hinaus gibt es autarke Spannvorrichtungen mit einem in sich geschlossenen Hydrauliksystem, bei denen ein starker Abfall des Hydraulikmitteldrucks und ein Leerlaufen des Druckraums im Inneren der autarken Spannvorrichtung verhindert werden. Eine derartige autarke Spannvorrichtung ist bereits aus der DE 10 2008 016 654 A1 bekannt. Diese in sich geschlossene selbstspannende Spannvorrichtung umfasst ein zylindrisches Gehäuse mit einem in einer Kolbenbohrung des Gehäuses geführten Spannkolben, an dem eine sich durch einen Freikolben erstreckende Kolbenstange angeordnet ist. Dabei wird die Kolbenbohrung durch den Spannkolben in einen Hochdruckraum und ein Reservoir geteilt, wobei der Freikolben das Hydraulikmittel gegenüber der Umgebung abgrenzt. Da sich bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung das Volumen des Hochdruckraums ändert, muss zur Kompensation das Reservoir Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum aufnehmen oder bei einer Ausfahrbewegung entsprechend abgeben, wobei sich der Freikolben relativ zum Gehäuse bewegt, um eine Volumenänderung des Reservoirs zu ermöglichen. Bedingt durch den bodenorientierten Aufbau neigt die Kolbenstange dieser autarken Spannvorrichtung zum Kippen, weshalb neben einer aufwändigen Abdichtung des Freikolbens auch nur geringe Herstellungstoleranzen zulässig sind. Dadurch ergibt sich insgesamt ein relativ hoher Aufwand für die Herstellung einer derartigen Spannvorrichtung.
Die in der DE 195 10 681 A1 beschriebene autarke Spannvorrichtung weist neben dem in der Kolbenbohrung verschiebbar geführten Spannkolben ein am Spannende der Vorrichtung angeordnetes Reservoir für das Hydraulikmittel auf. Als Volumenausgleichseinrichtung ist hier eine elastische Membran vorgesehen, die von einem becherförmigen Verschlussteil gehalten und von einem federvorgespannten Kolben gegenüber dem Reservoir vorgespannt ist. Das Hydraulikmittel kann über eine Öffnung in der Kolbenstange sowie einen Versorgungskanal und ein Rückschlagventil im Spannkolben aus dem seitlich angeordneten Reservoir in den Hochdruckraum der Spannvorrichtung strömen. Eine weitere autarke Spannvorrichtung mit einem in einer Kolbenbohrung verschiebbar geführten Spannkolben und einem seitlich des Spannkolbens angeordneten Reservoir zeigt die DE 10 2011 079 188 A1 , wobei der Spannkolben gegenüber der Kolbenbohrung abgedichtet ist. Das Reservoir ist über mehrere Kanäle mit einem Rückschlagventil am Boden der Kolbenbohrung verbunden, wobei als Volumenausgleichseinrichtung hier ein im Reservoir angeordneter federvorgespanter Kolben vorgesehen ist.
Autarke Spannvorrichtungen mit einem Hochdruckraum für ein Hydraulikmittel, das die Einfahrbewegung des Spannkolbens dämpft, und einem Reservoir für das Hydraulikmittel weisen einen relativ komplexen Aufbau auf. Neben dem komplizierten Aufbau der Spannvorrichtung führen auch geringe Herstellungstoleranzen der Abmessungen des Spannkolbens und der Kolbenbohrung sowie der Kolbenstange und des Freikolbens zur Führung der Kolbenstange zu einem relativ hohen Aufwand bei der Herstellung autarker Spannvorrichtungen und damit zu hohen Produktionskosten. Darüber hinaus benötigen autarke Spannvorrichtungen besondere Dichtungen und Sonderbauteile wie Freikolben, Stangenführungen, Ausgleichskolben und/oder vorgespannte Membrane, die nicht nur kostenintensiv sind, sondern auch im Hinblick auf die Lebensdauer dieser Bauteile ein zusätzliches Risiko für die Betriebssicherheit autarker Spannvorrichtungen bilden. Gerade komplexe Dichtungen und elastische Volumenausgleichseinrichtungen lassen sich oftmals im Hinblick auf die Alterung der Materialien nur für eine begrenzte Lebensdauer auslegen oder führen bei steigenden Anforderungen an die Lebensdauer zu exponentiell steigenden Kosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine autarke Spannvorrichtung für einen Endlostrieb bereitzustellen, die bei einem einfachen Aufbau kostengünstig herzustellen ist und sicher funktioniert.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen autarken Spannvorrichtung dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine Außenhülse und eine Innenhülse umfasst, wobei die Innenhülse die Kolbenbohrung ausbildet, die Innenhülse radial in der Außenhülse aufgenommen ist und die Fluidzuführung zumindest teilweise zwischen der Außenhülse und der Innenhülse angeordnet ist. Dieser Aufbau des Gehäuses mit einer Außenhülse und einer Innenhülse, die im Wesentlichen eine hohlzylindrische Form aufweisen, ermöglicht trotz einfach und kostengünstig herstellbarer Komponenten einen gewissen komplexen Aufbau, der sich durch die Interaktion der Außenhülse und der Innenhülse ergibt. Dabei ermöglicht insbesondere die zwischen der Außenhülse und der in der Außenhülse radial aufgenommenen Innenhülse angeordneten Fluidrückführung eine deutliche Reduzierung der Produktionskosten. Autarke Spannvorrichtungen für einen Endlostrieb werden im Hinblick auf die hohen Produktionskosten als wartungsfreie Komponenten von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Da ein Wechsel oder Austausch herkömmlicher Spannvorrichtungen nicht vorgesehen ist, werden diese oftmals an schwer zugänglichen und kompliziert im Motoraufbau eingebundenen Positionen angeordnet. Entsprechend lassen sich diese herkömmlichen Spannvorrichtungen üblicherweise nur aufwändig am zumindest teilweise demontierten Motor wechseln. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Lebensdauer und Betriebssicherheit herkömmlicher autarker Spannvorrichtungen. Demgegenüber sind erfindungsgemäße autarke Spannvorrichtungen durch den Aufbau mit einer Außenhülse und einer Innenhülse kostengünstig herstellbar und lassen sich insbesondere als Wechsel- oder Austauschteile einsetzen.
Die einfache und kostengünstige Konstruktion der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung ermöglicht es, diese bei einem Ölwechsel oder einem Serviceintervall auszutauschen, vorausgesetzt ein Wechsel der autarken Spannvorrichtung ist ohne großen Aufwand möglich. Dabei kann eine Ausführung der autarken Spannvorrichtung als Einschraub- oder Einsteckspanner, der von außen in das Motorgehäuse eingeführt und daran befestigt wird, einen unkomplizierten Austausch der autarken Spannvorrichtung ermöglichen, ohne dass der Verbrennungsmotor oder dessen Steuerkettentrieb geöffnet oder manipuliert werden muss. Auch bei der Erstmontage kann durch eine zugängliche Anordnung Produktionszeit eingespart werden. Eine erfindungsgemäße autarke Spannvorrichtung ermöglicht dann entsprechend auch eine Nutzung von Dichtungen und Sonderbauteilen deren Lebensdauer gegenüber der Betriebszeit des Verbrennungsmotors begrenzt ist, wobei nicht nur günstige Komponenten sondern auch üblicherweise nicht nutzbare Bauteile und Konstruktionen zum Einsatz kommen können. Durch die relativ einfache Konstruktion der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung kann die Betriebssicherheit des Motors erhöht werden, da eine derart kostengünstige autarke Spannvorrichtung einen regelmäßigen Austausch und vorgeschriebene Wechselintervalle ermöglicht. Damit lässt sich eine einwandfreie Funktion der autarken Spannvorrichtung über die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors sicherstellen, obwohl Bauteile und Konstruktionen verwendet werden, die normalerweise aufgrund ihrer Lebenserwartung nicht eingesetzt werden können. Der sichere Betrieb der autarken Spannvorrichtung weist zusätzliche positive Wirkungen auf die damit gespannten Motorkomponenten auf, da eine betriebssichere, neuwertige Spannvorrichtung eine durchgehend optimale Funktionalität gewährleistet.
Eine sinnvolle Ausführungsform sieht vor, dass die Innenhülse und die Außenhülse im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die rotationssymmetrische Form der Innenhülse und der Außenhülse ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung und einfache Montage. Dabei bedeutet im Wesentlichen rotationssymmetrisch den Verzicht auf gegenüber dem Außenumfang oder der Innenhüllfläche der Außenhülse und Innenhülse begrenzt radial vorstehende Hülsenteile. Entsprechend fallen gegenüber dem Außenumfang oder der Innenhüllfläche eingelassene Vertiefungen oder Öffnungen, aber auch Gewindeabschnitte unter den Begriff im Wesentlichen rotationssymmetrisch. Dabei kann die Innenhülse insbesondere radial vollständig in der Außenhülse aufgenommen sein, was den Zusammenbau des Gehäuses erleichtert. Zusätzlich kann ein Anschlag für die Positionierung der Innenhülse sowie ein leichtes Übermaß der Innenhülse für die Fixierung in der Außenhülse vorgesehen sein.
Zweckmäßigerweise sind die Innenhülse und die Außenhülse koaxial zur Kolbenlängsachse angeordnet, entsprechend in Spannrichtung des Spannkolbens. Dies ermöglicht eine einfache Ausbildung der Kolbenbohrung durch die Innenhülse und die Bewegung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung. Weiter kann die Wandstärke der Innenhülse und der Außenhülse zwischen 8 und 16 %, bevorzugt zwischen 10 und 14 %, des Außendurchmessers der Außenhülse im Bereich der radial aufgenommenen Innenhülse betragen. Eine Wandstärke in diesem Bereich des Außendurchmessers der Außenhülse ermöglicht neben einer sicheren Produktion auch eine ausreichende Festigkeit und Druckstabilität sowie die Ausbildung eines ausreichenden Hochdruckraums in der Kolbenbohrung der Innenhülse. Dabei bezieht sich der Außendurchmesser der Außenhülse auf einen ungestörten Außendurchmesser radial oberhalb der Innenhülse ohne vorstehende Hülsenteile oder Gewindeabschnitte.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Fluidrückführung mindestens einen Rückführkanal umfasst, wobei der Rückführkanal zumindest teilweise in der Außenumfangsfläche der Innenhülse oder in der Innenhüllfläche der Außenhülse ausgebildet ist. Ein solcher Rückführkanal, der eine Fluidverbindung für das aus dem Hochdruckraum austretende Motoröl in das Reservoir ermöglicht, kann vor dem Zusammenbau der Innenhülse und Außenhülse in der jeweiligen Außenumfangsfläche und Innenhüllfläche durch entsprechenden Materialabtrag in Form einer Nut oder Abflachung der Außenumfangsfläche ausgebildet werden, so dass sich nach dem Zusammenbau von Innenhülse und Außenhülse ein über den Umfang geschlossener Rückführkanal ausformt. Alternativ kann auch sowohl in der Außenumfangsfläche der Innenhülse als auch in der Innenhüllfläche der Außenhülse eine Nut oder Vertiefung vorgesehen sein, die einzeln oder gemeinsam mindestens einen Rückführkanal ausbilden. Dabei bildet nur in der Außenumfangsfläche der Innenhülse oder in der Innenhüllfläche der Außenhülse ausgebildete Nut einen Rückführkanal mit einer geringen Umfangsfläche aus. Alternativ kann der mindestens eine Rückführkanal mittels einer partiellen Abflachung der zylindrischen Umfangsfläche der Innenhülse ausgebildet sein, die besonders kostengünstig herstellbar ist und beim Vorsehen mehrerer Abflachungen gleichmäßig um die Außenumfangsfläche der Innenhülse anordbar ist, um eine einfache und sichere Rückführung des Hydraulikmittels zum Reservoir zu ermöglichen.
Eine sinnvolle Form sieht vor, dass die autarke Spannvorrichtung als autarker Einschraubspanner ausgebildet ist, wobei bevorzugt am Außenumfang der Außenhülse ein Gewinde vorgesehen ist, mit dem der Einschraubspanner in eine Gewindebohrung am Motorblock eingeschraubt werden kann. Eine Ausführung der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung als Einschraubspanner ermöglicht eine sehr einfache Montage am Motorblock ohne zusätzliche Fixierungsmittel, indem der Einschraubspanner in die Gewindebohrung am Motorblock eingeschraubt wird und durch einen flanschartigen Kopf in einer vorgegebenen Tiefe auf die Spannschiene eines Kettentriebs wirkt. Alternativ kann die autarke Spannvorrichtung auch als Einsteckspanner ausgebildet sein, der in eine gewindelose Bohrung am Motorblock eingesteckt werden kann und mittels geeigneter Befestigungsmittel gesichert wird. Diese Ausbildung vermeidet ein Vorsehen von Gewinden am Außenumfang des Gehäuses und in der Bohrung am Motorblock und lässt darüber hinaus größere Toleranzen von Gehäuse und Bohrung zu. Insgesamt ermöglicht die Ausbildung der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung als Einschraub- oder Einsteckspanner eine einfache Anbringung von außen durch das Motorgehäuse hindurch, so dass ein Wechsel oder Ausbau gebrauchter oder defekter Spanner gegenüber herkömmlichen Spannvorrichtungen einfach und kostengünstig möglich ist. Dies ermöglicht den Einsatz der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung, insbesondere als Einschraub- oder Einsteckspanner, für den Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors und auch die Integration in entsprechend vorgeschriebene Service- und Wartungsintervalle.
Zur sicheren Befüllung des Hochdruckraums aus dem Reservoir kann die Fluidzuführung ein Rückschlagventil umfassen. Ein solches Rückschlagventil, das beispielsweise am Boden der den Hochdruckraum ausbildenden Innenhülse angeordnet ist, ermöglicht bei einem Unterdruck im Hochdruckraum ein schnelles Zuströmen von Hydraulikmittel aus dem Reservoir und verhindert bei einem Überdruck im Hochdruckraum die Rückströmung des Hydraulikmittels durch die Fluidzuführung.
Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass die Außenhülse an einer Stirnseite eine flanschartige Aufweitung aufweist. Eine solche als Teil der Außenhülse ausgebildete flanschartige Aufweitung und kann sowohl als Anschlag der Spannvorrichtung bei der Montage im Motorgehäuse verwendet werden, als auch gleichzeitig das Reservoir mit einem ausreichenden Volumen für das Hydraulikmittel ausbilden.
Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass eine Volumenausgleichseinrichtung vorgesehen ist, um das Volumen des Reservoirs anzupassen, wobei die Volumenausgleichseinrichtung bevorzugt eine bewegliche Reservoirwand aufweist. Die Volumenausgleichseinrichtung ermöglicht eine einfache Anpassung des Volumens bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens in die Kolbenbohrung und einem entsprechenden Überströmen von Hydraulikmittel aus dem Hochdruckraum in das Reservoir, so dass unabhängig von der Position des Spannkolbens ein relativ gleichmäßiges Dämpfungsverhalten der Dämpfungseinrichtung ermöglicht wird. Eine bewegliche Reservoirwand, beispielsweise in Form einer vorgespannten elastischen Membran oder eines federvorgespannten Kolbens, ermöglicht eine einfache Aufnahme und Abgabe des Hydraulikmittels aus dem Hochdruckraum bei einer Bewegung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung. Weiter ermöglicht eine bewegliche Reservoirwand auch eine Anpassung des Volumens des Reservoirs an eine extreme Position des Spannkolbens und ermöglicht entsprechend einen großen Spannweg zum Vorspannen eines Endlostriebs ohne einen Druckanstieg im Reservoir zu bewirken.
Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass zwischen dem Spannkolben und der Kolbenbohrung ein Leckagespalt ausgebildet ist, wobei die Breite des Leckagespalts zwischen dem Spannkolben und der Kolbenbohrung zwischen 20 µm und 50 µm beträgt. Ein Leckagespalt mit einer Breite zwischen 20 µm und 50 µm, wobei mit der Breite des Leckagespalts nicht das gleichmäßig umlaufende Spaltmaß zwischen Spannkolben und Kolbenbohrung, sondern das maximale Spaltmaß zwischen Spannkolben und Kolbenbohrung gemeint ist, entsprechend dem doppelten Wert des gleichmäßig umlaufenden Spaltmaßes, ermöglicht nicht nur eine kostengünstige Fertigung und einfache Montage von Spannkolben und Innenhülse sowie eine gute Führung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung, sondern vermeidet auch eine zu stark viskositätsabhängige Dämpfung. Darüber hinaus kann im Hochdruckraum ein Füllkörper vorgesehen sein, bevorzugt ein pilzförmiger von einer Druckfeder gegen den Spannkolben fixierter Füllkörper, der das Hydraulikmittelvolumen des Hochdruckraums um mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 20 %, reduziert und damit die Funktion der autarken Spannvorrichtung verbessert.
Sinnvollerweise kann eine Kolbenstange vorgesehen sein, die auf der Spannseite des Spannkolbens angeordnet ist und stirnseitig aus dem Gehäuse austritt. Das Vorsehen einer Kolbenstange erleichtert die Abdichtung der autarken Spannvorrichtung gegenüber der Umgebung und ermöglicht den Einsatz bekannter effektiver Stangendichtungen aus anderen Einsatzbereichen. Dabei ist die Kolbenstange bevorzugt fest mit dem Spannkolben verbunden.
Des Weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor, mit einem Antriebskettenrad, mindestens einem Abtriebskettenrad, einer das Antriebskettenrad und das mindestens eine Abtriebskettenrad miteinander verbindenden Antriebskette und einer die Antriebskette spannenden autarken Spannvorrichtungen nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Durch die autarke Ausbildung der Spannvorrichtung benötigt dieser Kettentrieb eines Verbrennungsmotors keinen Anschluss an den Motorölkreislauf. Daher kann bei einem Absinken des Drucks im Motorölkreislauf eine zuverlässige Funktion der Spannvorrichtung über die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors gewährleistet werden, trotz des einfachen Aufbaus der Spannvorrichtung und des Einsatzes günstiger Dichtungen und Sonderbauteile, die nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen. Die autarke Spannvorrichtung in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann in annähernd gleicher Weise auch für einen Riementrieb eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematisch Darstellung eines erfindungsgemäßen Kettentriebs mit einer erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung,
2 eine perspektivische Ansicht einer autarken Spannvorrichtung für den Einsatz in einem Kettentrieb nach 1,
3a eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen autarken Spannungsvorrichtung aus 2,
3b die Schnittansicht der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung aus 3a in einer um 90° gedrehten Stellung, und
4 eine perspektivische Ansicht der Innenhülse aus 3a und 3b.

Der in 1 dargestellte Steuerkettentrieb 1 eines Verbrennungsmotors umfasst zwei obenliegende Nockenwellen-Kettenräder 2, ein untenliegendes Kurbelwellen-Kettenrad 3, eine um diese herumgelegte Steuerkette 4, eine Führungsschiene 5 zur Führung der Steuerkette 4 im Lasttrum des Steuerkettentriebs 1 und eine um ein Schwenklager 7 schwenkbar angeordnete Spannschiene 6, die im Leertrum des Steuerkettentriebs 1 auf die Steuerkette 4 drückt. Dabei wird die Spannschiene 6 mittels einer autarken Spannvorrichtung 8 an die Steuerkette 4 gedrückt. Die aus der Spannvorrichtung 8 austretende Kolbenstange 9 drückt auf den Andrückbereich 10 der schwenkbar am Verbrennungsmotor angeordneten Spannschiene 6 und spannt dadurch die Steuerkette 4 im Leertrum des Steuerkettentriebs 1. Die autarke Spannvorrichtung 8 ist hier als Einschraubspanner ausgebildet, der am Außenumfang ein Gewinde 11 aufweist, mit dem die Spannvorrichtung 8 in eine Gewindebohrung 12 am Motorblock 13 eingeschraubt ist. Der außen verbleibende Teil der Spannvorrichtung 8 weist weiter einen flanschartigen Kopf 14 auf, der am Motorblock 13 anliegt und ein zu weites Einschrauben der Spannvorrichtung 8 in die Gewindebohrung 12 verhindert.
Die perspektivische Ansicht in 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße autarke Spannvorrichtung 8, wobei diese Spannvorrichtung 8 als Einsteckspanner ausgebildet ist und entsprechend am Außenumfang des Gehäuses 15 kein Gewinde 11 aufweist. Dieser Einsteckspanner wird mit dem spannseitigen Teils des zylinderförmigen Gehäuses 15 in eine entsprechende Bohrung am Motorblock 13 eingesteckt, wobei der flanschartige Kopf 14 von außen am Motorblock 13 anliegt und durch entsprechende Befestigungsmittel fixiert wird.
Die Schnittansicht in 3a zeigt den konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung 8 aus 2 mit einem Gehäuse 15. Das Gehäuse 15 umfasst eine Außenhülse 16 und eine Innenhülse 17, die als einfache hohlzylindrische Drehteile ausgebildet sind. Entsprechend können die Außenhülse 16 und Innenhülse 17 kostengünstig hergestellt werden, wobei gleichzeitig geringe Herstellungstoleranzen möglich sind. Die Innenhülse 17 ist in der Außenhülse 16 angeordnet, wobei die Innenhülse 17 bei der Montage vom spannseitigen Ende der Außenhülse eingebaut wird und an einem Anschlag 18 der Außenhülse 16 im Bereich des Kopfes 14 anliegt. Ein leichtes Übermaß des Außendurchmessers der Innenhülse 17 gegenüber dem Innendurchmesser der Außenhülse 16 erleichtert die Fixierung der Innenhülse 17 in der Außenhülse 16. Dabei ist die Innenhülse 17 vollständig in der Außenhülse 16 aufgenommen, wobei der größte Teil der Innenhülse 17 jenseits des Kopfes 14 angeordnet ist.
Die Innenhülse 17 des Gehäuses 15 weist eine zylindrische Kolbenbohrung 19 auf, in der der Spannkolben 20 mit der in Spannrichtung vorstehenden Kolbenstange 9 verschiebbar geführt ist. Wie in 1 gezeigt, drückt das spannseitige Ende der Kolbenstange 9 auf den Andrückbereich 10 der Spannschiene 6 auf, um die Steuerkette 4 mittels der autarken Spannvorrichtung 8 vorzuspannen. Der Spannkolben 20 ist dabei als Hohlkolben ausgebildet und weist in seinem Inneren eine Druckfeder 21 auf, die einen pilzförmigen Füllkörper 22 gegen die Stirnseite 23 des hohlzylindrischen Spannkolbens 20 drückt und den Spannkolben 20 in Spannrichtung vorspannt. An der Stirnseite 23 schließt sich in Spannrichtung die Kolbenstange 9 an, die hier einteilig als Teil des hohlzylindrischen Spannkolbens 20 ausgebildet ist. Am Boden 24 der Kolbenbohrung 19 ist ein Rückschlagventil 25 vorgesehen. Am spannseitigen offenen Ende der Kolbenbohrung 19 ist eine ringförmige Stangendichtung 26 angeordnet, durch die hindurch sich die Kolbenbohrung 9 nach außen erstreckt, wobei die Stangendichtung 26 von einem in der Außenhülse 16 verankerten Sicherungsring 27 gehalten wird. Die Stangendichtung 26 dichtet die autarken Spannvorrichtung 8 nach außen hin ab.
Die autarke Spannvorrichtung 8 weist in der Kolbenbohrung 19 der Innenhülse 17 zwischen dem Boden 24 mit Rückschlagventil 25 und dem hohlzylindrischen Spannkolben 20 einen Hochdruckraum 28 auf. Im Betrieb ist der Hochdruckraum 28 mit Hydraulikmittel unter einem gewissen Betriebsdruck gefüllt, um bei einem Einfahren des Spannkolbens 20 in die Kolbenbohrung 19 eine hydraulische Dämpfung der Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 zu ermöglichen. Jenseits des Spannkolbens 20 befindet sich zwischen der Innenhülse 17 und der Kolbenstange 9 bis zur Stangendichtung 26 ein Niederdruckraum 29.
Im Kopf 14 der autarken Spannvorrichtung 8, der zum Teil durch einen Abschnitt der Außenhülse 16 mit einem vergrößerten Durchmesser ausgebildet ist, ist ein Reservoir 30 für das Hydraulikmittel der autarken Spannvorrichtung 8 vorgesehen, wobei das Reservoir 30 durch die zylindrische, rotationssymmetrische Form der Außenhülse 16 koaxial zur Längsachse L der autarken Spannvorrichtung 8 angeordnet ist. Zwischen dem Reservoir 30 und dem Hochdruckraum 28 ist eine Fluidzuführung 31 vorgesehen, die gemeinsam mit dem Rückschlagventil 25 eine Fluidverbindung vom Reservoir 30 zum Hochdruckraum 28 bildet, um den Hochdruckraum 28 bei einer Ausfahrbewegung des Spannkolbens 20 mit Hydraulikmittel zu versorgen.
Am flanschseitigen Ende der Außenhülse 16 ist zur Begrenzung des Reservoirs 30 eine Volumenausgleichseinrichtung 32 vorgesehen. Die Volumenausgleichseinrichtung 32 besteht aus einer tellerförmigen Kappe 33, die am flanschseitigen Ende der autarken Spannrichtung 8 eine elastische Membran 34 an der Außenhülse 16 fixiert, wobei die Ränder der elastischen Membran 34 gleichzeitig das Reservoir 30 für das Hydraulikmittel abdichten. Die elastische Membran 34 bildet so eine bewegliche Reservoirwand aus und ermöglicht einen einfachen Ausgleich des sich im Betrieb der autarken Spannvorrichtung 8 ändernden Volumens des Reservoirs 30. Die tellerförmige Kappe 33 weist mittig eine Öffnung 35 auf, um bei einer Bewegung der elastischen Membran 34 einen Druckausgleich mit der Umgebung zu ermöglichen.
Die elastische Membran 34 ist aus einem sehr flexiblen Material mit einer geringen Wandstärke hergestellt und weist über die vorgegebene Form der elastischen Membran 34 und die Fixierung mittels der tellerförmigen Kappe 33 am flanschseitigen Ende der Außenhülse 16 eine Vorspannung auf, die bei einem abnehmenden Volumen des Hydraulikmittels im Reservoir 30 für einen schnellen Ausgleich des abgegebenen Hydraulikmittels und damit für einen gleichbleibenden geringen Überdruck im Reservoir 30 gegenüber dem umgebenden Atmosphärendruck sorgt. Alternativ kann eine Vorspannung der elastischen Membran 34 oder einer anderweitig ausgebildeten beweglichen Reservoirwand mittels eines federvorgespannten Ausgleichskolbens erfolgen. Die elastische Membran 34 kann sowohl aus herkömmlichen Elastomeren als auch modernen TPE-Materialien relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden. Im Hinblick auf die dauerelastischen Eigenschaften, die in der Membran 34 vorgesehene Vorspannung und deren geringe Wandstärke, sowie die andauernden dynamischen Beanspruchungen in einem Verbrennungsmotor, muss die elastische Membran 34 sehr exakt ausgelegt und dimensioniert werden. Entsprechend bestehen bisher Vorbehalte, derartige elastische Membrane 34 einzusetzen, da aufgrund der Einbausituation der Spannvorrichtung im Verbrennungsmotor im Allgemeinen eine einwandfreie Funktion der autarken Spannvorrichtung 8 über die gesamte Lebensdauer des Verbrennungsmotors sichergestellt werden muss. Alternative Ausführungen einer beweglichen Reservoirwand sind kostenintensiv und führen zu komplexen, teuren Konstruktionen autarker Spannvorrichtungen. Demgegenüber kann ein regelmäßiger Austausch im Rahmen von vorgeschriebenen Wechselintervallen, in Verbindung mit der kostengünstig herstellbaren, autarken Spannvorrichtung 8 mit einem Gehäuse 15 aus einer Außenhülse 16 und Innenhülse 17, die bisher extremen Anforderungen an die Belastbarkeit und Lebensdauer der elastischen Membran 34 reduzieren.
Bei der in 3a gezeigten autarken Spannvorrichtung 8 ermöglicht das am Boden 24 der Innenhülse 17 angeordnete Rückschlagventil 25 in der Fluidzuführung 31 ein Nachströmen des Hydraulikmittels aus dem Reservoir 30 in den Hochdruckraum 28. Beim Ausfahren des Spannkolbens 20 aus der Kolbenbohrung 19 entsteht im Hochdruckraum 28 ein Unterdruck gegenüber dem Reservoir 30, so dass sich das Rückschlagventil 25 am Boden 24 der Innenhülse 17 öffnet und ein Nachströmen des Hydraulikmittels aus dem Reservoir 30 in dem Hochdruckraum 28 ermöglicht.
Die autarke Spannvorrichtung 8 ist in der Darstellung in 3b um 45° um die Längsachse L gedreht. In dieser durch den rotationssymmetrischen Aufbau der autarken Spannvorrichtung 8 zu 3a sehr ähnlichen Darstellung ist zwischen der Innenhülse 17 und der Außenhülse 16 die Fluidrückführung 36 zu erkennen. Die Fluidrückführung 36 zwischen dem Niederdruckraum 29 und dem Reservoir 30 wird durch entsprechende Öffnungen 37 am spannseitigen Ende der Innenhülse 17 und Rückführkanälen 38 zwischen der Innenhülse 17 und der Außenhülse 16 ausgebildet. Bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 in die Kolbenbohrung 19 steigt der Druck des Hydraulikmittels im Hochdruckraum 28 gegenüber dem niedrigen Druck im Reservoir 30 und dem über der Fluidrückführung 36 damit verbundenen Niederdruckraum 29 stark an, wodurch zunächst das Rückschlagventil 25 schließt und den Hochdruckraum 28 gegenüber dem Reservoir 30 abdichtet. Zur Dämpfung der weiteren Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 in die Kolbenbohrung 13 entweicht Hydraulikmittel durch den Leckagespalt 39 zwischen dem Spannkolben 20 und der Kolbenbohrung 19, wobei die Dämpfungswirkung des Leckagespalts 30 sowohl von der Viskosität des Hydraulikmittels, als auch von der Temperatur des Hydraulikmittels abhängig ist. Um die Viskosität und Temperaturabhängigkeit der Dämpfung zu verringern, kann zusätzlich eine Drosseleinrichtung 40 vorgesehen sein, die ein Entweichen des Hydraulikmittels aus dem Hochdruckraum 28 zwischen dem Füllkörper 22 und der Stirnseite 23 des Spannkolbens 20 und weiter durch die Dämpfungskanäle 41 im Spannkolben 20 in den Niederdruckraum 29 ermöglicht, um so die Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 gezielter zu dämpfen. Dabei strömt das Hydraulikmittel direkt aus dem Niederdruckraum 29 über die Fluidrückführung 36 in das Reservoir 30, wobei sich die elastische Membran 34 in Richtung der Kappe 33 ausdehnt, um das Hydraulikmittelvolumen des Reservoirs 30 zu erhöhen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Innenhülse 17 aus den 3a und 3b. Diese Innenhülse 17 ist mit vier gleichmäßig um den Umfang der Innenhülse 17 verteilt angeordnete Abflachungen 42 ausgebildet, die gemeinsam mit der Innenhüllfläche der Außenhülse 16 im zusammengebauten Zustand die Rückführkanäle 38 der Fluidrückführung 36 ausbilden. Am spannseitigen offenen Ende dieser Innenhülse 17 sind darüber hinaus die Öffnungen 37 in Form von Aussparungen zu sehen, die ein Überströmen des Hydraulikmittels aus der Kolbenbohrung 19 der Innenhülse 17 in die Rückführkanäle 38 ermöglichen. Weiter ist auf der gegenüberliegenden Stirnseite der bis auf die Fluidzuführung 31 geschlossen ausgebildete Boden 24 der Innenhülse 17 zu erkennen.
Im Folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise der oben beschriebenen autarken Spannvorrichtung 8 näher erläutert.
Die in den 2 sowie 3a und 3b gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen autarken Spannvorrichtung 8 wird bevorzugt für einen Kettentrieb eines Verbrennungsmotors verwendet, insbesondere für einen Steuerkettentrieb 1. Im Betrieb drückt der Spannkolben 20 der Spannvorrichtung 8 mittels der Vorspannung der Druckfeder 21 über die Kolbenstange 9 auf den Andrückbereich 10 einer Spannschiene 6, um die Steuerkette 4 des Steuerkettentriebs 1 zu spannen. Bei einer Ausführung der Spannvorrichtung 8 als Riemenspanner drückt die Kolbenstange 9 über eine entsprechende Andrückrolle auf einen Antriebriemen. Unabhängig vom Einsatz der autarken Spannvorrichtung 8 strömt beim Ausrücken des Spannkolbens 20 aus der Kolbenbohrung 19 Hydraulikmittel aus dem Reservoir 30 über die Fluidzuführung 31 und das Rückschlagventil 25 in den Hochdruckraum 28 ein, um das beim Ausfahren des Spannkolbens 20 vergrößerte Volumen des Hochdruckraums 28 aufzufüllen.
Bei einer Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 in den Hochdruckraum 28, wenn beispielsweise bei einer Schwingungsbewegung der Spannschiene 6 oder einer Andrückrolle ein Druck über die Kolbenstange 9 auf den Spannkolben 20 ausgeübt wird, wird diese Einfahrbewegung durch das im Hochdruckraum 28 befindliche Hydraulikmittel gedämpft. Die Einfahrbewegung des Spannkolbens 20 erhöht den Druck des Hydraulikmittels im Hochdruckraum 28, so dass Hydraulikmittel über den Leckagespalt 39 und optional über die Dämpfungseinrichtung 40 in den Niederdruckraum 29 strömt. Vom Niederdruckraum 29 ausströmt das Hydraulikmittel über die Fluidrückführung 36 zwischen der Innenhülse 17 und der Außenhülse 16 in das Reservoir 30, in dem die vorgespannte elastische Membran 34 die Volumenzunahme des Hydraulikmittels kompensiert.
Bezugszeichenliste

1: Steuerkettentrieb
2: Nockenwellenräder
3: Kurbelwellenkettenräder
4: Steuerkette
5: Führungsschiene
6: Spannschiene
7: Schwenklager
8: Spannvorrichtung
9: Kolbenstange
10: Andrückbereich
11: Gewinde
12: Gewindebohrung
13: Motorblock
14: Kopf
15: Gehäuse
16: Außenhülse
17: Innenhülse
18: Anschlag
19: Kolbenbohrung
20: Spannkolben
21: Druckfeder
22: Füllkörper
23: Stirnseite
24: Boden
25: Rückschlagventil
26: Stangendichtung
27: Sicherungsring
28: Hochdruckraum
29: Niederdruckraum
30: Reservoir
31: Fluidzuführung
32: Volumenausgleichseinrichtung
33: Kappe
34: elastische Membran
35: Öffnung
36: Fluidrückführung
37: Öffnungen
38: Rückführkanäle
39: Leckagespalt
40: Dämpfungseinrichtung
41: Dämpfungskanal
42: Abflachung
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008016654 A1 [0005]
DE 19510681 A1 [0006]
DE 102011079188 A1 [0006]

Claims

Autarke Spannvorrichtung (8) für einen Endlostrieb, insbesondere für einen Steuerkettentrieb (1) eines Verbrennungsmotors, mit einem Gehäuse (15), einem in einer Kolbenbohrung (19) verschiebbar geführten Spannkolben (20), einem in der Kolbenbohrung (19) angeordneten, vom Spannkolben (20) einseitig begrenzten Hochdruckraum (28) für ein Hydraulikmittel, und einem Reservoir (30) für das Hydraulikmittel, das über eine Fluidzuführung (31) zum Hochdruckraum (28) und eine Fluidrückführung (36) zum Reservoir (30) mit dem Hochdruckraum (28) in Fluidverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) eine Außenhülse (16) und eine Innenhülse (17) umfasst, wobei die Innenhülse (17) die Kolbenbohrung (19) ausbildet, die Innenhülse (17) radial in der Außenhülse (16) aufgenommen ist und die Fluidrückführung (36) zumindest teilweise zwischen der Außenhülse (16) und der Innenhülse (17) angeordnet ist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (17) und die Außenhülse (16) im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (17) radial vollständig in der Außenhülse (16) aufgenommen ist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenhülse (17) und die Außenhülse (16) koaxial zur Kolbenlängsachse (L) angeordnet sind.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Innenhülse (17) und der Außenhülse (16) zwischen 8 und 16 %, bevorzugt zwischen 10 und 14 %, des Außendurchmessers der Außenhülse (16) im Bereich der radial aufgenommenen Innenhülse (17) beträgt.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidrückführung (36) mindestens einen Rückführkanal (38) umfasst, wobei der Rückführkanal (38) zumindest teilweise in der Außenumfangsfläche der Innenhülse (17) oder in der Innenhüllfläche der Außenhülse (16) ausgebildet ist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rückführkanal (38) als eine Nut in der Außenumfangsfläche der Innenhülse (17) oder in der Innenhüllfläche der Außenhülse (16) ausgebildet ist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Rückführkanal (38) mittels einer partiellen Abflachung (42) der zylindrischen Außenumfangsfläche der Innenhülse (17) ausgebildet ist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Spannvorrichtung als autarker Einschraubspanner ausgebildet ist und bevorzugt am Außenumfang der Außenhülse (16) ein Gewinde (11) aufweist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die autarke Spannvorrichtung als Einsteckspanner ausgebildet ist.
Autarke Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidzuführung (31) ein Rückschlagventil umfasst.
Autarke Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhülse (16) an einer Stirnseite (23(eine flanschartige Aufweitung aufweist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumenausgleichseinrichtung (32) vorgesehen ist um das Volumen des Reservoirs (25) anzupassen, wobei die Volumenausgleichseinrichtung (32) bevorzugt eine bewegliche Reservoirwand aufweist.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Reservoirwand der Volumenausgleichseinrichtung (32) eine elastische Membran (34) umfasst.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Spannkolben (20) und der Kolbenbohrung (19) ein Leckagespalt (39) ausgebildet ist, wobei die Breite des Leckagespalts (39) zwischen dem Spannkolben (20) und der Kolbenbohrung (19) bevorzugt zwischen 20 µm und 50 µm beträgt.
Autarke Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (9) vorgesehen ist die auf der Spannseite des Spannkolbens (20) angeordnet ist und stirnseitig aus dem Gehäuse (15) austritt.
Kettentrieb für einen Verbrennungsmotors, mit einem Antriebskettenrad (3), mindestens einem Abtriebskettenrad (2), einer das Antriebskettenrad (3) und das mindestens eine Abtriebskettenrad (2) miteinander verbindenden Antriebskette (4) und einer die Antriebskette (4) spannenden autarken Spannvorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 16.