DE102017115901A1

DE102017115901A1 - Linear-Kettenspanner mit Kippmomentausgleich

Info

Publication number: DE102017115901A1
Application number: DE102017115901.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Bachmair
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2017-07-14
Publication date: 2019-01-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linear-Kettenspanner, insbesondere zum Spannen der Antriebskette eines Kettentriebs, mit einem Spannergehäuse, einem in einer Kolbenbohrung des Spannergehäuses in Richtung der Kolbenachse bewegbar geführten Spannkolben, der an einer stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung aus dem Spannergehäuse austritt und in Richtung der Antriebskette vorspannbar ist, und mit einem Spannschuh, der an einem aus der stirnseitigen Öffnung vorstehenden Ende fest mit dem Spannkolben verbunden ist und eine gebogene Gleitfläche aufweist, die mit der Antriebskette in Kontakt bringbar ist. Die Kontur der gebogenen Gleitfläche weist eine resultierende Normalkraftachse auf, entlang derer im Betrieb des Linear-Kettenspanners die von der Antriebskette auf die gebogene Gleitfläche des Spannschuhs einwirkende resultierende Normalkraft auf den Spannkolben wirkt, wobei die resultierende Normalkraftachse in der Ebene der stirnseitigen Öffnung des Spannergehäuses gegenüber der Kolbenachse des Spannkolbens einen Versatz aufweist, um das im Betrieb von der Reibkraft zwischen der gebogenen Gleitfläche und der Antriebskette entstehende Kippmoment des Spannkolbens zumindest teilweise zu kompensieren. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Linear-Kettenspanner.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linear-Kettenspanner, insbesondere zum Spannen der Antriebskette eines Kettentriebs, mit einem Spannergehäuse, einem in einer Kolbenbohrung des Spannergehäuses in Richtung der Kolbenachse bewegbar geführten Spannkolben, der an einer stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung aus dem Spannergehäuse austritt und in Richtung der Antriebskette vorspannbar ist, und mit einem Spannschuh, der an einem aus der stirnseitigen Öffnung vorstehenden Ende fest mit dem Spannkolben verbunden ist und eine gebogene Gleitfläche aufweist, die mit der Antriebskette in Kontakt bringbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kettentrieb für einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Linear-Kettenspanner.
Derartige Linear-Kettenspanner werden insbesondere in Steuertrieben von Verbrennungsmotoren eingesetzt. In solchen Steuertrieben verbindet die zugehörige Antriebskette zwei nebeneinander angeordnete Nockenwellen einer Zylinderbank, wobei auf der Antriebsseite des Kettentriebs, dem Zugtrum der Antriebskette, ein Führungsschuh vorgesehen sein kann und auf der losen Abtriebsseite, dem Leertrum der Antriebskette der Spannschuh über seine gebogene Gleitfläche eine vorbestimmte Kettenspannung aufrecht erhält. Ein weiteres Einsatzgebiet solcher Linear-Kettenspanner sind die Antriebe von Nebenaggregaten, beispielsweise Ölpumpentriebe.
Eine Spannvorrichtung für einen Kettentrieb zwischen zwei Nockenwellen ist beispielsweise aus der US 5,782,625 bekannt. Dieser Linear-Kettenspanner weist ein Spannergehäuse sowie einen in einer Kolbenbohrung des Spannergehäuses längsbeweglichen Spannkolben auf, der an einem aus der Kolbenbohrung vorstehenden spannseitigen Ende mit einem Spannschuh versehen ist. An der dem Spannkolben abgewandten Führungsseite des Spannergehäuses ist ein Führungsschuh vorgesehen, der nicht nur fest mit dem Spannergehäuse verbunden ist, sondern auch über einen seitlich vom Spannergehäuse vorstehenden Befestigungsflansch am Motorblock eines Verbrennungsmotors fixiert ist. Die Kolbenbohrung bildet einen Dämpfungsdruckraum für ein Hydraulikmittel aus, in dem auch eine Druckfeder zur Vorspannung des Spannkolbens angeordnet ist. Der Hydraulikmittelanschluss für den Dämpfungsdruckraum erfolgt über den Befestigungsflansch des Spannergehäuses.
Eine weitere Spannvorrichtung für einen Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentrieb wird in der DE 100 59 119 A1 beschrieben. Auch dieser Kettenspanner weist ein Gehäuse sowie einen in einer Gehäusebohrung längsbeweglichen Spannkolben auf, der an seinem freien Spannende mit einem Spannschuh verbunden ist. Der Spannschuh wird über eine zwischen Spannkolben und Gehäuse wirkende Druckfeder mit seiner gebogenen Gleitfläche gegen die Antriebskette gedrückt, während der auf der dem Spannkolben abgewandten Gehäuseseite vorgesehene Führungsschuh die Antriebskette im Zugtrum führt. Zur Fixierung des Spannergehäuses sind zwei auf beiden Seiten gegenüber dem Kettentrieb vorstehende Flanschabschnitte vorgesehen, die eine relativ komplexe Montage der Spannvorrichtung am Motorblock erfordern.
Diese und andere in der Technik bekannte Linear-Kettenspanner haben sich in ihrem Einsatz, insbesondere in Steuer- und Nebenaggregatantrieben von Verbrennungsmotoren, gut bewährt, jedoch erfordert neben den seitlich vorstehenden Befestigungselementen auch der Verschleiß des Kettenspanners unverändert eine massive und stabile Bauweise. Die fortschreitende Motorentwicklung führt zu immer kompakteren Motoreinheiten und macht nicht nur eine konstruktive Anpassung derartiger Linear-Kettenspanner notwendig, sondern erfordert auch innovative Konzepte zur Optimierung der Funktion, zur Verbesserung der Festigkeit und zur Reduzierung des Verschleißes. So kann neben einer verbesserten Betriebssicherheit auch das Risiko eines Ausfalls und vorzeitigen Austauschs von Bauteilen in komplexen Motorkonstruktionen vermieden werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linear-Kettenspanner der eingangs genannten Art bereitzustellen, der einen geringen Verschleiß aufweist, und bei zumindest gleicher Funktion eine kompakte Bauweise sowie eine lange Lebensdauer ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kontur der gebogenen Gleitfläche eine resultierende Normalkraftachse aufweist, entlang derer im Betrieb des Linear-Kettenspanners die von der Antriebskette auf die gebogene Gleitfläche des Spannschuhs einwirkende resultierende Reibungs-Normalkraft auf den Spannkolben wirkt, wobei die resultierenden Normalkraftachse in der Ebene der stirnseitigen Öffnung des Spannergehäuses gegenüber der Kolbenachse einen Versatz aufweist, um das im Betrieb von der Reibkraft zwischen der gebogenen Gleitfläche und der Antriebskette entstehende Kippmoment des Spannkolbens zumindest teilweise zu kompensieren. Bei einem Linear-Kettenspanner wird über den Spannschuh, der an einem gegenüber dem Spannergehäuse vorstehenden Ende des Spannkolbens starr und unbeweglich mit dem Spannkolben verbunden ist, und über den in axialer Richtung entlang der Kolbenachse vorgespannten Spannkolben eine Vorspannung auf die Antriebskette aufgeprägt, die nur in eine Richtung wirkt, üblicherweise senkrecht zur Laufrichtung. Die Kontur der gebogenen Gleitfläche des Spannschuhs, die im Betrieb mit der Antriebskette in Kontakt steht, bezieht sich auf die zweidimensionale Kontur der Gleitfläche in Längsrichtung des Spannschuhs, d.h. in Laufrichtung der Antriebskette. Die durch den Spannkolben auf die Antriebskette wirkende Vorspannung erzeugt zwischen der gebogenen Gleitfläche und der Antriebskette eine Reibung. Neben der Reibkraft, die sich aus der resultierenden Normalkraft und dem Reibbeiwert zwischen Antriebskette und Gleitfläche ergibt, entsteht durch die in Laufrichtung der Antriebskette wirkende Reibkraft auch ein Kippmoment am Spannkolben über den Abstand zwischen der stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung und der auf der gebogenen Gleitfläche wirkenden resultierenden Normalkraft. Das durch die Reibung zwischen gebogener Gleitfläche und Antriebskette hervorgerufene Kippmoment am Spannkolben bewirkt am Spannkolben sowie an der Kolbenbohrung des Spannergehäuses einen Verschleiß, der auf Dauer zu einer schlechteren Führung des Spannkolbens sowie einer schlechteren Abdichtung des Dämpfungsdruckraums in der Kolbenbohrung und damit schlussendlich zum Ausfall des Linear-Kettenspanners führt. Eine massive Konstruktion des Kettenspanners und eine verlängerte Führung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung des Spannergehäuses kann diese Problematik zwar teilweise kompensieren, führt aber zu schweren und groß dimensionierten Kettenspannern, die gerade in modernen, kompakten Verbrennungsmotoren nur eingeschränkt einsetzbar sind.
Die über den Verlauf der Kontur der gebogenen Gleitfläche wirkenden Normalkräfte der Reibung stehen jeweils senkrecht zum betrachteten Punkt der Kontur, so dass die Normalkraft am jeweils betrachteten Punkt in Richtung der Flächennormalen wirkt. Aus dem Produkt der Normalkraft mit dem Reibungsbeiwert der Gleitfläche ergibt sich die an diesem Punkt tangential wirkende Reibkraft. Da eine Antriebskette zumindest im Betrieb als elastisch anzusehen ist, verläuft die resultierende Normalkraftachse der gesamten Kontur der gebogenen Gleitfläche in Längsrichtung des Spannschuhs in Richtung der Krafteinleitungsachse der resultierenden Normalkraft bzw. der Vektorrichtungen der resultierenden Normalkraft. Dabei ist die resultierende Normalkraft in ihrer Wirkung am starren Spannschuh äquivalent zu der Summe der entlang der Kontur der gebogenen Gleitfläche zwischen der Gleitfläche und der Antriebskette einwirkenden Normalkräfte. Hierbei ist die Krafteinleitungsachse bzw. die Vektorrichtung der resultierenden Normalkraft unabhängig von der Höhe der Normalkraft bzw. der Spannkraft des Spannkolbens und nur durch die Kontur der gebogenen Gleitfläche und den jeweiligen Enden der gebogenen Gleitfläche am Einlauf und Auslauf der Antriebskette vorgegeben.
Der Versatz zwischen der Kolbenachse und der resultierenden Normalkraftachse in der Ebene der stirnseitigen Öffnung des Spannergehäuses erzeugt ein Versatzmoment, das dem durch die Reibkraft hervorgerufenen Kippmoment entgegenwirkt und dadurch das Kippmoment reduzieren und sogar kompensieren kann. Dabei ergibt sich die Höhe des Versatzmoments aus der an der gebogenen Gleitfläche in Richtung der resultierenden Normalkraftachse wirkenden resultierenden Normalkraft und dem Versatz der resultierenden Normalkraftachse gegenüber der Kolbenachse in der Ebene der stirnseitigen Öffnung.
Zweckmäßigerweise ist der Versatz der resultierenden Normalkraftachse gegenüberliegend der Kolbenachse entgegen der Laufrichtung der Antriebskette gerichtet, womit auch die resultierenden Normalkraftachse gegenüberliegend der Kolbenachse entgegen der Laufrichtung versetzt ist. Unabhängig von der Kontur der gebogenen Gleitfläche sichert ein Versatz entgegen der Laufrichtung eine entsprechende Reduzierung des Kippmoments.
Ein bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Versatz zwischen der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse größer ist als das Produkt aus dem Reibungsbeiwert der gebogenen Gleitfläche und dem minimalen Abstand zwischen der gebogenen Gleitfläche und der stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung im Spannergehäuse in Richtung der resultierenden Normalkraftachse. Der minimale Abstand ergibt sich beim vollständig eingefahrenen Spannkolben und bestimmt sich entlang der Richtung der resultierenden Normalkraftachse zwischen der Oberfläche der gebogenen Gleitfläche und der Ebene der stirnseitigen Öffnung. Der Reibungsbeiwert der gebogenen Gleitfläche ist dabei ein dimensionsloses Maß für die Reibkraft im Verhältnis zur Anpresskraft zwischen der Gleitfläche und der Antriebskette. Ausschlaggebend sind dabei die Adhäsions- und Korrosionskräfte zwischen der Antriebskette, üblicherweise aus Stahl, und der Gleitfläche, üblicherweise aus einem reibungsarmen Kunststoff, wobei auch die Schmierung der Oberfläche eine Rolle hinsichtlich der Höhe des Reibungsbeiwerts spielt. Bei einem üblichen Reibungsbeiwert µ von 0,04 und einem minimalen Abstand a der gebogenen Gleitfläche zur stirnseitigen Öffnung von etwa 10 mm, der etwa der maximalen Höhe des Spannschuhs entspricht, ergibt sich als minimaler Versatz b zwischen der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse ein Wert von 0,4 mm.
Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass der Versatz zwischen der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse kleiner ist als das Produkt aus dem Reibungsbeiwert der gebogenen Gleitfläche und dem maximalen Abstand zwischen der gebogenen Gleitfläche und der stirnseitigen Öffnung der Kolbenachse im Spannergehäuse in Richtung der resultierenden Normalkraftachse. Die Begrenzung des Versatzes zwischen der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse auf einen maximalen Versatz vermeidet eine Überkompensation des Kippmoments. Der maximale Abstand zwischen der gebogenen Gleitfläche und der stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung ergibt sich bei einem vollständig aus der Kolbenbohrung ausgefahrenen Spannkolben. Bei einer entsprechenden Endstellung des Spannkolbens herkömmlicher Linear-Kettenspanner, beispielsweise für einen Einsatz in einem Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentrieb oder einem Nebenaggregatantrieb, entlang der resultierenden Normalkraftachse beträgt der Abstand a etwa 50 mm, so dass sich bei einem Reibungsbeiwert µ von 0,04 ein maximaler Versatz b von etwa 2 mm ergibt.
Für eine störungsfreie Funktion des Linear-Kettenspanners können die resultierende Normalkraftachse und die Kolbenachse im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Da die resultierende Normalkraftachse abhängig ist von der Kontur der gebogenen Gleitfläche, des im Betrieb tatsächlich mit der Antriebskette in Kontakt stehenden Abschnitts des Spannschuhs, und der Anordnung des Spannschuhs auf dem Spannkolben, lässt sich herstellungs- und montagebedingt eine exakt parallele Ausrichtung der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse nicht sicherstellen. Daher sollen auch Abweichungen der parallelen Ausrichtung zwischen der resultierenden Normalkraftachse und der Kolbenachse von ± 5°, bevorzugt von ± 2°, als im Wesentlichen parallel angesehen werden.
Eine günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanners sieht vor, dass eine Sekante durch die Endpunkte der gebogenen Gleitfläche im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse verläuft. Die Endpunkte der gebogenen Gleitfläche begrenzen am Einlauf und Auslauf der Antriebskette die Kontur der gebogenen Gleitfläche, die in Kontakt mit der Antriebskette bringbar ist und an der im Betrieb durch den Kontakt zwischen der Antriebskette und dem Spannschuh ein Reibungswiderstand entsteht. Diese Gerade, die als Sekante durch die Endpunkte der Kontur der gebogenen Gleitfläche die durchschnittliche Steigung der Kontur angibt, kann auch bei einer Abweichung von ± 5°, bevorzugt von ± 2° als im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse angesehen werden, da die projektions-, montage- und betriebsbedingten Einflüsse auf die Kontur der gebogenen Gleitfläche das Erreichen kleinerer Toleranzen verhindern. Insbesondere bei einer im Wesentlichen symmetrisch gebogenen Gleitfläche liegt der Mittelpunkt der Sekante zwischen den Endpunkten der gebogenen Gleitfläche auf der resultierenden Normalkraftachse. Gleichzeitig steht die resultierende Normalkraftachse in dem Kurvenpunkt der Kontur der gebogenen Gleitfläche mit der gleichen Steigung der Sekante.
Eine einfache Ausbildung sieht vor, dass der Spannschuh symmetrisch ausgebildet ist, wobei die Symmetrieachse koaxial zur resultierenden Normalkraftachse ausgebildet ist. Dies ermöglicht nicht nur eine einfache Herstellung und Montage des Spannschuhs, sondern vermeidet auch zusätzliche, über die gebogene Gleitfläche auf den Spannkolben wirkende Momente durch eine asymmetrische Kontur oder asymmetrische Lage der Enden der gebogenen Gleitfläche. Eine symmetrische Ausbildung des Spannschuhs und der gebogenen Gleitfläche des Spannschuhs zwischen Einlauf und Auslauf der Antriebskette erleichtert auch die Bestimmung und Einstellung des Versatzes der resultierenden Normalkraftachse, also der Symmetrieachse des Spannschuhs, zur Kolbenachse. Entsprechend schneidet die Symmetrieachse die Kontur der gebogenen Gleitfläche am Nullpunkt der Kontur, d.h. an dem Kurvenpunkt an dem die Steigung Null ist bzw. an dem die Steigung der Tangente der Steigung der Sekante entspricht. Bevorzugt kann die gebogene Gleitfläche des Spannschuhs eine gleichbleibende Krümmung aufweisen. Auch hier ist der Schnittpunkt der Symmetrieachse am Nullpunkt der Kontur der gebogenen Gleitfläche, entsprechend dem zugehörigen Kurvenpunkt der resultierenden Normalkraftachse. Darüber hinaus schneiden sich die Wirkungslinien der von der als elastisch anzusehenden Antriebskette aufgeprägten Normalkräfte der Reibung auf die gleichbleibende Kontur der gebogenen Gleitfläche in einem Punkt, durch den sich auch die resultierende Normalkraftachse der Kontur der gebogenen Gleitfläche erstreckt. Dadurch ergibt sich eine sichere reibkraftunabhängige Führung des Spannkolbens in der Kolbenbohrung.
Eine sinnvolle Ausführungsform sieht vor, dass ein separater Gleitbelagkörper vorgesehen ist, wobei der separate Gleitbelagkörper die gebogene Gleitfläche ausbildet. Ein solcher separat hergestellter und an einem Spannschuhträger befestigter Gleitbelagkörper kann aus einem besonders gleitfähigem Material mittels Spritzgießen oder Strangextrudieren hergestellt werden, ohne die entsprechenden mechanischen Anforderungen des zugehörigen Tragkörpers des Spannschuhs bereitstellen zu müssen. Dadurch kann der Spannschuh insgesamt einfacher und kostengünstiger hergestellt werden oder ermöglicht gleichzeitig eine verhältnismäßig lange Lebensdauer. Alternativ kann der Gleitbelagkörper auch an den Tragkörper des Spannschuhs angespritzt werden oder der Spannschuh insgesamt einteilig ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf einen Kettentrieb eines Verbrennungsmotors, bevorzugt einen Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentrieb, mit mindestens zwei Kettenrädern, einer um die Kettenräder herumgeführten umlaufenden Antriebskette und ein die Antriebskette spannenden Linear-Kettenspanner entsprechend einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen, wobei die resultierende Normalkraftachse der von der Antriebskette auf die gebogene Gleitfläche des Kettenspanners wirkenden resultierenden Reibungs-Normalkraft in der Ebene der stirnseitigen Öffnung des Spannergehäuses gegenüber der Kolbenachse einen Versatz aufweist, um das von der Reibkraft zwischen der gebogenen Gleitfläche und der Antriebskette entstehende Kippmoment des Spannkolbens zumindest teilweise zu kompensieren. Dabei erstreckt sich die äquivalente Summe der jeweils senkrecht zum Kurvenpunkt der Kontur stehenden Reibungs-Normalkräften, die resultierende Normalkraft, in Richtung der resultierenden Normalkraftachse der Kontur der gebogenen Gleitfläche zwischen den jeweiligen Enden an Einlauf und Auslauf der Antriebskette. Der Versatz der resultierenden Normalkraftachse gegenüber der Kolbenachse erzeugt in der Ebene der stirnseitigen Öffnung ein Versatzmoment, das dem durch die Reibkraft an der gebogenen Gleitfläche hervorrufenden Kippmoment entgegenwirkt und damit den Verschleiß des Linear-Kettenspanners reduziert.
Bevorzugt kann in dem Kettentrieb eine Verbindungsachse der Achsen der Kettenräder im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse verlaufen, wobei im Hinblick auf die Toleranzen bei der Herstellung der Montage des Kettentriebs eine Abweichung von ± 5°, bevorzugt von ± 2°, noch als im Wesentlichen senkrecht anzusehen ist. Eine im Wesentlichen senkrechte Anordnung des Kettenspanners gegenüber der Verbindungsachse der Kettenräder vermeidet das Entstehen zusätzlicher Momente am Spannkolben bzw. an der gebogenen Gleitfläche des Spannschuhs.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kettentriebs mit einem Linear-Kettenspanner,
2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanners aus 1,
3a eine Schnittansicht durch einen herkömmlichen Linear-Kettenspanner und
3b eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanner aus 2.

Die Seitenansicht eines Kettentriebs 1, der hier beispielshaft als Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentriebs beschrieben wird, mit einer umlaufenden geschlossenen Antriebskette 2 und einem Linear-Kettenspanner 3 in 1 zeigt den typischen Aufbau und Anordnung eines am Motorblock des Verbrennungsmotors zwischen den beiden Kettenräder 4 angeflanschten Linear-Kettenspanners 3. An dem Spannergehäuse 5 des Kettenspanners 3 ist an dem einem Spannkolben 6 abgewandten Ende des Spannergehäuses 5 ein Führungsschuh 7 vorgesehen, der auf einer Flanschplatte 8 des Spannergehäuses 5 aufgeschoben oder aufgeclipst ist. Zwischen der Flanschplatte 8 und dem Spannergehäuse 5 sind seitliche Verstärkungsflansche 9 vorgesehen. Das Spannergehäuse 5 weist üblicherweise seitliche Befestigungsflansche (nicht gezeigt) mit Bolzenöffnungen auf, mittels derer der Kettenspanner 3 an dem Motorblock eines Verbrennungsmotors befestigt ist. Die Verbindungsachse A_v zwischen den Achsen der Kettenräder 4 steht senkrecht zur Kolbenachse A_K , um ein Verkanten des Linear-Kettenspanners 3 und erhöhten Verschleiß am Spannkolben 6 zu vermeiden.
In einer Kolbenbohrung 10 des Spannergehäuses 5 ist der Spannkolben 6 in Richtung der Kolbenachse A_K beweglich geführt und mittels einer Spannfeder (nicht gezeigt) in Spannrichtung vorgespannt. Der Spannkolben 6 drückt einen Spannschuh 11 gegen die Antriebskette 2 im Lostrum des Kettentriebs 1, um die Antriebskette 2 vorzuspannen. Dabei ist der Spannschuh 11 an einem gegenüber dem aus dem Spannergehäuse 5 vorstehenden Ende des Spannkolbens 6, der an der stirnseitigen Öffnung 12 der Kolbenbohrung 10 aus dem Spannergehäuse 5 austritt, befestigt. Der Spannschuh 11 kann sowohl einteilig ausgeführt und direkt mit dem zylinderförmigen Spannkolben 6 verbunden sein oder zweiteilig ausgebildet sein mit einem flansch- oder fachwerkartigen Körper und einem separaten Gleitbelag.
Der Spannschuh 11 der in 1 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanners 3 ist gegenüber der Kolbenachse A_K entgegen der Laufrichtung L der Antriebskette 2 versetzt, so dass die resultierende Normalkraftachse A_R der gebogenen Gleitfläche 13 des Spannschuhs 11 einen Versatz b gegenüber der Kolbenachse A_K aufweist. Da der in 1 gezeigte Spannschuh 11 und dessen gebogene Gleitfläche 13 symmetrisch zu einer Symmetrieachse A_S ausgebildet sind, verläuft die resultierende Normalkraftachse A_R im Wesentlichen koaxial zur Symmetrieachse A_S auf der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13.
In der Seitenansicht des erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanners 3 in 2 ist noch einmal deutlich der konstruktiv einfache Aufbau zu erkennen, mit einem massiven Spannergehäuse 5, das an der Führungsseite über Verstärkungsflansche 9 eine Flanschplatte 8 aufweist, auf der ein separat hergestellter Führungsschuh 7 aufgeclipst ist. Alternativ kann auch hier der Führungsschuh 7 einteilig mit der Flanschplatte 8 bzw. dem Spannergehäuse 5 ausgebildet sein.
In der in 2 gezeigten Grundstellung des Kettenspanners 3 mit einem vollständig in die Kolbenbohrung 10 des Spannergehäuses 5 eingefahrenen Spannkolben 6 liegt der fachwerkartig verstärkte, einteilige Spannschuh 11 an der stirnseitigen Öffnung 12 der Kolbenbohrung 10 am spannseitigen Ende des Spannergehäuses 5 auf. Dabei ist die Symmetrieachse A_S des symmetrisch ausgeführten Spannschuhs 11 gegenüber der Kolbenachse A_K des in der Kolbenbohrung 10 bewegbar geführten Spannkolbens 6 parallel versetzt, da der Spannschuh 11 asymmetrisch zur Kolbenachse A_K auf dem Spannkolben 6 montiert ist. Entsprechend ist auch die resultierende Normalkraftachse A_R der Gleitreibung entlang der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13, bei der im Betrieb des Kettenspanners 3 die Antriebskette 2 zwischen dem Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette 2 anliegt, versetzt zur Kolbenachse A_K . Da hier der Spannschuh 11 symmetrisch ausgebildet ist, verläuft die senkrecht auf der gebogenen Gleitfläche 13 resultierende Normalkraftachse A_R koaxial zur Symmetrieachse A_S .
In der in 3a gezeigten Schnittansicht durch einen herkömmlichen Linear-Kettenspanner 3' wird die Wirkung der Reibung zwischen dem Spannschuh 11 und der Antriebskette 2 dargestellt. Bei diesem herkömmlichen Linear-Kettenspanner 3' ist der Spannschuh 11 mittig auf dem Spannkolben 6 angeordnet, der sich in Spannrichtung aus der stirnseitigen Öffnung 12 der Kolbenbohrung 10 des Spannergehäuses 5 erstreckt. Durch die mittige Anordnung des Spannschuhs 11 auf dem Spannkolben 6 erstreckt sich auch die Symmetrieachse A_S des Spannschuhs 11 koaxial zur Kolbenachse A_K des Spannkolbens 6 in der Kolbenbohrung 10. Da der Spannkolben 6 durch eine in der Kolbenbohrung 10 angeordnete Druckfeder (nicht gezeigt) und/oder einem Dämpfungsdruckraum (nicht gezeigt) in Richtung der Antriebskette 2 vorgespannt ist, entsteht im Betrieb zwischen der gebogenen Gleitfläche 13 des Spannschuhs 11 und der Antriebskette 2 eine Gleitreibung. Die Gleitreibung ergibt sich dabei aus der entlang der gebogenen Gleitfläche 13 wirkenden Reibungs-Normalkraft, die jeweils senkrecht zu dem Kurvenpunkt der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13 steht, und dem Reibungsbeiwert µ zwischen der gebogenen Gleitfläche 13 und der Antriebskette 2. Entsprechend der Laufrichtung der Antriebskette 2, die sich im Betrieb im Wesentlichen elastisch über die gebogene Gleitfläche 13 erstreckt, ist auch die Reibkraft der Gleitreibung immer tangential zu dem jeweiligen Kurvenpunkt der Kontur.
Da in der Mechanik die Wirkung mehrerer an einem starren Körper wirkender Kräfte äquivalent in einer resultierenden Kraft zusammengefasst werden können, kann auch hier die bei einer Gleitreibung der Antriebskette 2 über die gebogene Gleitfläche 13 wirkenden Normalkräfte in einer resultierenden Normalkraft F_N zusammengefasst werden, die abhängig von der Vorspannung des Spannkolbens 6 in Richtung der Antriebskette 2 ist, und entlang der resultierenden Normalkraftachse A_R auf den Spannschuh 11 wirkt. Entsprechend dem symmetrischen Aufbau des Spannschuhs 11 und der mittigen Anordnung des Spannschuhs 11 auf dem Spannkolben 6 erstreckt sich bei einem herkömmlichen Linear-Kettenspanner 3 die resultierende Normalkraftachse A_R koaxial zur Symmetrieachse A_S des Spannschuhs 11 und auch koaxial zur Kolbenachse A_K des in der Kolbenbohrung 10 verschiebbar geführten Spannkolbens 6. Aus der resultierenden Normalkraft F_N , die sich aus der Summe der Reibungs-Normalkräfte entlang der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13 zwischen Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette ergibt, bestimmt sich eine resultierende Reibkraft F_R , die senkrecht zur resultierenden Normalkraftachse A_R in Laufrichtung L der Antriebskette 2 gerichtet ist.
Die resultierende Reibkraft F_R ergibt sich aus der Multiplikation der resultierenden Normalkraft F_N mit dem Reibungsbeiwert µ der gebogenen Gleitfläche 13. Dabei ist die resultierende Reibkraft F_R äquivalent zu den tatsächlich entlang der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13 zwischen Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette 2 tangential wirkenden Reibkräfte der Gleitreibung. Auch wenn durch einen möglichst geringen Reibungsbeiwert µ der gebogenen Gleitfläche 13 des Spannschuhs 11 die resultierende Reibkraft F_R im Betrieb möglichst gering gehalten werden soll, entsteht durch die an der resultierenden Normalkraftachse A_R in Laufrichtung L wirkenden resultierenden Reibkraft F_R ein Kippmoment M_K , das abhängig ist vom Abstand der gebogenen Gleitfläche 13 im Kurvenpunkt der resultierenden Normalkraftachse A_R zur Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 der Kolbenbohrung 10 im Spannergehäuse 5.
Das Kippmoment M_K ergibt sich entsprechend der an der gebogenen Gleitfläche 13 senkrecht zur resultierenden Normalkraftachse A_R wirkenden resultierenden Reibkraft F_R aus dem Produkt mit dem Abstand a gegenüber der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12. Bei einem solchen herkömmlichen Linear-Kettenspanner 3' bewirkt das durch die Gleitreibung zwischen Antriebskette 2 und dem von der Vorspannung des Spannkolbens 6 angedrückten Spannschuh 11 entstehende Kippmoment M_K der Gleitreibung an der gebogenen Gleitfläche 13 zwischen Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette 2 am Spannkolben 6 und der Kolbenbohrung 10 ein signifikanter Verschleiß, der mit steigendem Abstand a zwischen stirnseitiger Öffnung 12 und der gebogenen Gleitfläche 13 und abnehmender Führungslänge des Spannkolbens 6 in der Kolbenbohrung 10 ansteigt.
Auch bei dem in 3b in einer Schnittansicht gezeigten, erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanner 3 wirkt im Betrieb die resultierende Normalkraft F_N und die resultierende Reibkraft F_R der Gleitreibung zwischen der Antriebskette 2 und der gebogenen Gleitfläche 13 des Spannschuhs 11 sowie das entstehende Kippmoment M_K der Gleitreibung im Kurvenpunkt der resultierenden Normalkraftachse A_R . In 3b ist aus Vereinfachungsgründen nur die resultierende Normalkraft F_N gezeigt. Entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführung eines Linear-Kettenspanners 3 ist der Spannschuh 11 im Gegensatz zu dem in 3a gezeigten herkömmlichen Kettenspanner 3' entgegen der Laufrichtung L der Antriebskette 2 versetzt auf dem Spannkolben 6 angeordnet. Entsprechend weist die resultierende Normalkraftachse A_R der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13 zwischen Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette 2 in der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 einen Versatz b auf. Durch den hier im Wesentlichen symmetrisch ausgebildeten Spannschuh 11 mit der Symmetrieachse AS sowie die im Wesentlichen achsparallele Positionierung zur Kolbenachse A_K verläuft die resultierende Normalkraftachse A_R koaxial zur Symmetrieachse A_S und entsprechend achsparallel zur Kolbenachse A_K , so dass der Versatz b in der hier gezeigten Ausführungsform gegenüber der Kolbenachse A_K gleichbleibend ist.
Bei einem unsymmetrisch ausgebildeten Spannschuh 11 kann die resultierende Normalkraftachse A_R auch in einem Winkel zur Kolbenachse stehen, so dass sich der Versatz b entlang der Kolbenachse A_K verändert.
Durch den Versatz b der resultierenden Normalkraftachse A_R zur Kolbenachse A_K entsteht durch die Einwirkung der resultierenden Normalkraft F_N ein am Spannkolben 6 wirkendes Versatzmoment M_V , das bei einer der resultierenden Reibkraft F_R entgegenwirkenden Versatzrichtung dem Kippmoment M_K entgegenwirkt. Das am Spannkolben 6 wirkende Versatzmoment M_V ergibt sich dabei aus der im Kurvenpunkt resultierenden Normalkraftachse A_R wirkenden resultierenden Normalkraft F_N und dem Versatz b der resultierenden Normalkraftachse A_R in der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 der Kolbenbohrung 10 im Spannergehäuse 5. Das Versatzmoment M_V kann somit das Kippmoment M_K der Gleitreibung der Antriebskette 2 entlang der gebogenen Gleitfläche 13 reduzieren oder sogar kompensieren, wodurch der Verschleiß an der Kolbenbohrung 10 im Spannergehäuse 5 und dem Spannkolben 6 deutlich reduziert werden kann. Entsprechend kann mit einem erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanner 3 eine deutlich höhere Lebenserwartung bei einer gleichbleibend einfachen oder sogar vereinfachen Konstruktion des Linear-Kettenspanners 3 erreicht werden.
Da das durch die Gleitreibung zwischen der Antriebskette 2 und der gebogenen Gleitfläche 13 hervorgerufene Kippmoment MK am Spannkolben 6 entsprechend der Funktion M_K = F_R × a mit F_R = F_N × µ vom Abstand a zwischen der gebogenen Gleitfläche 13 und der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 entlang der resultierenden Normalkraftachse A_R abhängig ist, verändert sich das Kippmoment M_K sowohl im momentanen Betrieb bei der Dämpfung von Kettenschlägen und der Laufunruhe der Antriebskette 2 als auch über die Lebensdauer des Linear-Kettenspanners 3 durch die Längung der Antriebskette 2 im Kettentrieb 1. Demgegenüber bleibt das Versatzmoment M_V entsprechend der Funktion M_V = F_N × b in Abhängigkeit von der resultierenden Normalkraft F_N der Gleitreibung konstant, da die resultierende Normalkraftachse A_R lediglich von der Kontur der gebogenen Gleitfläche 13 zwischen Einlauf 14 und Auslauf 15 der Antriebskette 2 abhängig ist. Damit ist auch der Versatz b in der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 des Spannergehäuses 5 im Betrieb und über die Lebensdauer des Kettenspanners 3 konstant.
Für eine Einstellung eines möglichst geringen Verschleißes des Spannkolbens 6 und der Kolbenbohrung 10 im Spannergehäuse 5 mittels der Kompensation des durch die Gleitreibung zwischen Antriebskette 2 und gebogener Gleitfläche 13 des Spannschuhs 11 hervorgerufene Kippmoments M_K , ist die Bestimmung eines mittleren Abstands a notwendig, um den im Betrieb der tatsächliche Abstand schwankt. Dabei liegt dieser mittlere Abstand a näher an einem minimalen Abstand a_min , d.h. bei einem vollständig in die Kolbenbohrung 10 eingefahrenen Spannkolben 6, als am maximalen Abstand a_max , d.h. der maximalen Ausfahrstellung des Spannkolbens 6 aus der Kolbenbohrung 10. Bei einer angestrebten Kompensation des Kippmoments M_K durch das Versatzmoment M_V ergibt sich die Optimierungsgleichung F_N × a × µ = F_N × b, so dass sich ein optimaler Wert für den Versatz b aus dem Produkt des Reibungsbeiwerts µ der gebogenen Gleitfläche 13 und dessen Abstand a zur stirnseitigen Öffnung 12 ergibt. Für einen üblichen erfindungsgemäßen Linear-Kettenspanner 3 beträgt ein mittlerer Abstand a zwischen der gebogenen Gleitfläche 13 und der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 entlang der resultierenden Normalkraftachse A_R etwa 25 mm, so dass sich bei einem typischen dimensionslosen Reibungsbeiwert µ für die gebogene Gleitfläche 13 eines Spannschuhs 11 von 0,04 ein optimaler Versatz b der resultierenden Normalkraftachse A_R zur Kolbenachse A_K in der Ebene der stirnseitigen Öffnung 12 von 1 mm ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Kettentrieb
2: Antriebskette
3, 3': Linear-Kettenspanner
4: Kettenräder
5: Spannergehäuse
6: Spannkolben
7: Führungsschuh
8: Flanschplatte
9: Verstärkungsflansche
10: Kolbenbohrung
11: Spannschuh
12: stirnseitige Öffnung
13: gebogene Gleitfläche
14: Einlauf
15: Auslauf
a: Abstand
b: Versatz
A_k: Kolbenachse
A_R: resultierende Normalkraftachse
A_S: Symmetrieachse
A_V: Verbindungsachse
F_N: resultierende Normalkraft
F_R: resultierende Reibkraft
L: Laufrichtung
M_K: Kippmoment
M_V: Versatzmoment
µ: Reibungsbeiwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5782625 [0003]
DE 10059119 A1 [0004]

Claims

Linear-Kettenspanner (3), insbesondere zum Spannen der Antriebskette (2) eines Kettentriebs (1), mit einem Spannergehäuse (5), einem in einer Kolbenbohrung (10) des Spannergehäuses (5) in Richtung der Kolbenachse (A_K) bewegbar geführten Spannkolben (6), der an einer stirnseitigen Öffnung der Kolbenbohrung (10) aus dem Spannergehäuse (5) austritt und in Richtung der Antriebskette (2) vorspannbar ist, und einem Spannschuh (11) , der an einem aus der stirnseitigen Öffnung (12) vorstehenden Ende fest mit dem Spannkolben (6) verbunden ist und eine gebogene Gleitfläche (13) aufweist, die mit der Antriebskette (2) in Kontakt bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der gebogenen Gleitfläche (13) eine resultierende Normalkraftachse (A_R) aufweist, entlang derer im Betrieb des Linear-Kettenspanners (3) die von der Antriebskette (2) auf die gebogene Gleitfläche (13) des Spannschuhs (11) einwirkende resultierende Normalkraft (F_N) auf den Spannkolben (6) wirkt, wobei die resultierende Normalkraftachse (A_R) in der Ebene der stirnseitigen Öffnung (12) des Spannergehäuses (5) gegenüber der Kolbenachse (A_K) einen Versatz (b) aufweist, um das im Betrieb von der Reibkraft zwischen der gebogenen Gleitfläche (13) und der Antriebskette (2) entstehende Kippmoment (M_K) des Spannkolbens (6) zumindest teilweise zu kompensieren.
Linear-Kettenspanner (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (b) der resultierenden Normalkraftachse (A_R) gegenüber der Kolbenachse (A_K) entgegen der Laufrichtung (L) der Antriebskette (2) gerichtet ist.
Linear-Kettenspanner (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (b) zwischen der resultierenden Normalkraftachse (A_R) und der Kolbenachse (A_K) größer ist als das Produkt aus dem Reibungsbeiwert (µ) der gebogenen Gleitfläche (13) und dem minimalen Abstand zwischen der gebogenen Gleitfläche (13) und der stirnseitigen Öffnung (12) der Kolbenbohrung (10) im Spannergehäuse (5) in Richtung der resultierenden Normalkraftachse (A_R).
Linear-Kettenspanner (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (b) zwischen der resultierenden Normalkraftachse (A_R) und der Kolbenachse (A_K) kleiner ist als das Produkt aus dem Reibungsbeiwert (µ) der gebogenen Gleitfläche (13) und dem maximalen Abstand zwischen der gebogenen Gleitfläche (13) und der stirnseitigen Öffnung (12) der Kolbenbohrung (10) im Spannergehäuse (5) in Richtung der resultierenden Normalkraftachse (A_R).
Linear-Kettenspanner (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Normalkraftachse (A_R) und die Kolbenachse (A_K) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Linear-Kettenspanner (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekante durch die Endpunkte der gebogenen Gleitfläche (13) im Wesentlichen senkrecht zur Kolbenachse (A_K) verläuft.
Linear-Kettenspanner (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannschuh (11) symmetrisch ausgebildet ist, wobei die Symmetrieachse (A_S) koaxial zur resultierenden Normalkraftachse (A_R) ausgebildet ist.
Linear-Kettenspanner (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogene Gleitfläche (13) eine gleichbleibende Krümmung aufweist.
Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentrieb (1) für einen Verbrennungsmotor, insbesondere ein Nockenwellen-Nockenwellen-Kettentrieb, mit mindestens zwei Kettenrädern (4), einer um die Kettenräder (4) herum geführten Antriebskette (2) und einem die Antriebskette (2) spannenden Linear-Kettenspanner (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die resultierende Normalkraftachse (A_R) der von der Antriebskette (2) auf die gebogene Gleitfläche (13) des Kettenspanners wirkenden resultierenden Normalkraft (F_N) in der Ebene der stirnseitigen Öffnung (12) des Spannergehäuses (5) gegenüber der Kolbenachse (A_K) einen Versatz (b) aufweist, um das von der Reibkraft zwischen der gebogenen Gleitfläche (13) und der Antriebskette (2) entstehende Kippmoment (M_K) des Spannkolbens (6) zumindest teilweise zu kompensieren.
Kettentrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsachse (A_V) der Achsen der Kettenräder (4) im Wesentlichen senkrecht zu Kolbenachse (A_K) verläuft.