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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine hydraulisch arbeitende Spannvorrichtung für Ketten, insbesondere zum Spannen von Ketten für einen Nockenwellenantrieb in Hubkolbenbrennkraftmaschinen, bestehend aus einem Spannkolben zur Anlage an der Kette, aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem der Spannkolben beweglich geführt ist, aus einem mit einem von dem Spannkolben und dem Gehäuse begrenzten Druckraum zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine, aus einem Leckagespalt, durch den die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum über eine Öffnung herausströmen kann und aus einer Ventileinrichtung, mittels der der Abfluss der Hydraulikflüssigkeit bei zunehmendem Druck im Druckraum zumindest verkleinert werden kann.
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Stand der Technik
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Ventiltriebe von Hubkolbenbrennkraftmaschinen werden in der Regel von einer Kette angetrieben. Zur Aufrechterhaltung der Kettenspannung dient eine Spannvorrichtung, die im einfachsten Fall ihre Spannkraft von einer Feder erhält. Bei den heutigen Ventiltrieben der Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die teilweise Möglichkeiten zu Verstellung der Öffnungszeiten und/oder des Öffnungshubes aufweisen, werden bevorzugt Spannvorrichtungen für die Ketten verwendet, die eine über die Drehzahl der Hubkolbenbrennkraftmaschine veränderliche Dämpfungskennlinie aufweisen. Diese Dämpfungseinrichtungen arbeiten üblicherweise mit dem Schmieröl der Brennkraftmaschine als Hydraulikflüssigkeit. Hierzu wird zwischen einem Spannkolben und einem diesen Spannkolben aufnehmenden Zylinder ein Druckraum gebildet, der an das Schmierölversorgungssystem der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen ist. Spannbewegungen des Spannkolbens in Richtung auf die Kette bewirken eine Vergrößerung des Druckraumes, wobei infolge des sich daran einstellenden Unterdruckes ein Rückschlagventil öffnet und Schmieröl in den Druckraum einströmen lässt. Unter einer Spannung der Kette wird der Spannkolben einwärts, also weg von der Kette gedrückt, wobei der Druckraum verkleinert wird. Während der Spannkolben sich einwärts bewegt, wird Schmieröl aus dem Druckraum heraus durch einen Leckagespalt verdrängt. Die Gestaltung des Leckagespalts hat wesentlichen Einfluss auf die Dämpfungseigenschaften der Spannvorrichtung. Ist der Leckagespalt für eine große Leckagerate ausgelegt, wird die Spannvorrichtung in dem Sinne weicher, dass beispielsweise Kettenschläge unter größeren Auslenkungen des Spannkolbens gedämpft werden. Wenn die Leckagerate klein ist, werden derartige Kettenschläge unter relativ kleinen Auslenkungen der Spannvorrichtung gedämpft, wobei infolge der geringen Auslenkung größere Kräfte wirksam sind. Daher stellt sich eine harte Dämpfung der Spannvorrichtung ein, wenn die Leckagerate nur gering ist.
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Das Dämpfungsverhalten einer hydraulischen Spannvorrichtung wird üblicherweise auf einen Betriebspunkt optimal abgestimmt. Eine weiche Dämpfung kann beispielsweise günstig sein, um laute, vom Kettentrieb herrührende Geräusche im unteren Drehzahlbereich zu vermeiden. Bei höheren Drehzahlen jedoch zeigt die Brennkraftmaschine ein anderes Betriebsverhalten und mehr Schmieröl wird aus dem Druckraum heraus durch den Leckagespalt verdrängt. Unter den mitunter harten Kettenschlägen ist nicht auszuschließen, dass der Spannkolben bei einer weichen Dämpfung weit einwärts gedrückt wird, wobei nur eine ungenügende Menge Motoröl rechtzeitig in den Druckraum nachgesaugt werden kann. So können insbesondere bei höheren Drehzahlen Fehlfunktion des Kettenspanner auftreten.
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Eine hydraulisch arbeitende Spannvorrichtung für Ketten mit einer Feder zum Aufbau einer Spannkraft und einer veränderlichen Dämpfungskennlinie im Betrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine ist aus der gattungsbildenden
DE 100 38 606 A1 bekannt. Hier besteht die Spannvorrichtung aus einem Spannkolben zur Anlage an die Kette, der in einem Zylinder beweglich aufgenommen ist. Von dem Spannkolben und dem Zylinder wird ein Druckraum begrenzt, in dem eine Hydraulikflüssigkeit vorhanden ist. Als Hydraulikflüssigkeit wird Motoröl aus der Hubkolbenbrennkraftmaschine verwendet. Weiterhin ist in dem Druckraum ein Leckagespalt vorgesehen, über den die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum verdrängt werden kann. In diesem Fall ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, über die der Querschnitt des Leckagespalts veränderbar ist, wobei die Ventileinrichtung unter einer Zunahme des Druckes im Druckraum für eine Verkleinerung des Leckagespalts verlagert wird. Hierbei gibt die Ventileinrichtung unterhalb eines kritischen unteren Druckes im Druckraum den Leckagespalt frei, während die Ventileinrichtung oberhalb eines kritischen oberen Druckes im Druckraum den Leckagespalt zumindest verkleinert. Als Ventileinrichtung wird eine federbelastete Kugel verwendet, die in einem entsprechend kugelförmigen Sitz im Spannkolben eingebaut ist.
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Die beschriebene Anordnung der Spannvorrichtung mit einem Kugelventil hat sich zwar bewährt, ist jedoch teuer in der Herstellung, da eine präzise Ausgestaltung des Leckagespalts erforderlich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Beibehaltung einer Ventileinrichtung zum Verändern des Dämpfungsverhaltens einer Spannvorrichtung eine fertigungstechnisch einfachere Möglichkeit der Ventileinrichtung aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Danach wird von einer Spannvorrichtung für Ketten, insbesondere zum Spannen von Ketten für einen Nockenwellenantrieb in Hubkolbenmaschinen, ausgegangen, bestehend aus einem Spannkolben zur Anlage an der Kette, aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem der Spannkolben beweglich geführt ist, aus einem mit einem von dem Spannkolben und dem Gehäuse begrenzten Druckraum zur Aufnahme einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Schmieröl der Hubkolbenbrennkraftmaschine, aus einem Leckagespalt, durch den die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum über eine Öffnung heraus strömen kann und aus einer Ventileinrichtung, mittels der der Leckagespalt bei zunehmenden Druck im Druckraum zumindest verkleinert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird bei einer derartigen Spannvorrichtung die Ventileinrichtung als Platte ausgebildet, die in eine Ventilkammer eingebaut ist und von einer Feder in einer Öffnungsstellung gehalten wird und bei der der Leckagespalt zwischen dem Rand der Platte und der Wand der Ventilkammer gebildet wird. Die Fertigung einer Platte, insbesondere einer ebenen Platte, ist wesentlich preiswerter als die Fertigung einer Kugel, die in einen Kugelsitz mit einer definierten Leckage eingepasst werden muss. Somit sind die Dämpfungseigenschaften der Spannvorrichtung zwischen hart und weich einstellbar. Damit können bei geringer Last der Hubkolbenbrennkraftmaschine Reibungsverluste reduziert werden. Selbstverständlich können die Dämpfungseigenschaften der erfindungsgemäß aufgebauten Spanneinrichtung durch die Geometrie des Leckagespalts eingestellt werden. Daneben stellen die Federkraft, die Federsteifigkeit und der Durchflussquerschnitt des Leckagespalts Einstellparameter für die Dämpfungseigenschaften dar.
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Der Leckagespalt ist bei der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausgestaltung zwischen der Platte und den Innenwänden des Ventilraumes gebildet. Damit wird eine fertigungstechnisch einfache und doch präzise arbeitende Ventileinrichtung geschaffen, die es gestattet, das Schmieröl aus dem Druckraum kontrolliert abströmen zu lassen, wenn sich die Druckverhältnisse im Druckraum ändern. Bevorzugt bleibt der Leckagespalt über den Verstellweg der Platte konstant. Denkbar sind aber auch andere geometriesche Verhältnisse.
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Anstelle des Leckagespalts zwischen der Platte und der Innenwand der Ventilkammer kann die Leckage auch über zumindest eine Drosselbohrung in der Platte erreicht werden. Auch diese Drosselbohrung ist fertigungstechnisch einfach herzustellen und damit mit geringen Kosten verbunden. Durch die Geometrie und auch die Anzahl der Drosselbohrungen lässt sich das Dämpfungsverhalten leicht einstellen.
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Im Sinne der Erfindung ist es auch möglich, für den Leckagespalt sowohl eine oder mehrere Drosselbohrungen als auch einen Spalt zwischen der Platte und der Innenwand der Ventilkammer gleichzeitig vorzusehen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Ventilkammer zwischen dem Druckraum und der Öffnung angeordnet werden und zum Druckraum hin einen Anschlag für die Platte aufweisen. Der Anschlag weist dann auf seinem Umfang mindestens eine Aussparung auf, die auch dann geöffnet bleibt, wenn die Platte über ihre Feder gegen den Anschlag gedrückt wird. Im weichen Betriebszustand bleibt die Platte in dieser Stellung, so dass immer eine gewisse Menge der Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum über die Aussparung im Anschlag, den Leckagespalt und der Öffnung abfließen kann.
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Bevorzugt wird die Ventileinrichtung in eine Stirnseite des Spannkolbens eingesetzt. Hierzu muss die Stirnseite des Spannkolbens nur entsprechend massiv ausgebildet werden. Damit entfällt ein separates Ventilgehäuse, das in geeigneter Art und Weise an dem Spannkolben befestigt werden müsste.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Patentanspruchs 1 mit den von diesen abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
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Figurenliste
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen zwei Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 einen schematisierten Längsschnitt durch einen federbelasteten Spannkolben mit zylindrischem Gehäuse und einer als federbelasteten Platte aufgebauten Ventileinrichtung zur Änderung der Dämpfungseigenschaften einer hydraulisch arbeitenden Spannvorrichtung,
- 2a einen schematisierten Längsschnitt durch eine erste Ausgestaltung der Ventileinrichtung bei weichem Betriebszustand,
- 2b einen schematisierten Längsschnitt durch die erste Ausgestaltung der Ventileinrichtung bei hartem Betriebszustand,
- 2c eine Draufsicht auf den Anschlag für die Platte,
- 3a einen schematisierten Längsschnitt durch eine zweite eine Drosselbohrung aufweisende Ausgestaltung der Ventileinrichtung bei weichem Betriebszustand und
- 3b die Ausgestaltung der Ventileinrichtung nach 3a in einem harten Betriebszustand.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist ein schematisierter Längsschnitt durch eine hydraulisch arbeitende Spannvorrichtung 1 dargestellt. Diese Spannvorrichtung 1 besteht aus einem Spannkolben 2, der in einem nach oben offenen zylindrischen Gehäuse 3 (nur teilweise dargestellt) gleitend geführt wird.
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Der Spannkolben 2 ist, wie der Längsschnitt in 1 zeigt, tassenförmig ausgebildet und mit einem verstärkten Boden 4 versehen. In den Boden 4 ist eine Ventilkammer 5 eingelassen, in die eine Ventileinrichtung 6 eingesetzt ist, deren Aufbau und Funktionsweise weiter unten erläutert wird. Das freie Ende des Spannkolbens 2 steht direkt oder indirekt, zum Beispiel über eine Führungsschiene, mit einer nicht näher dargestellten Kette zum Antrieb einer Nockenwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine in Kontakt.
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Zwischen dem Spannkolben 2 und dem zylindrischen Gehäuse 3 wird ein Druckraum 7 gebildet, in dem eine Druckfeder 8 angeordnet ist. Diese Druckfeder 8 stützt sich einerseits an dem nicht gezeigten Boden des zylindrischen Gehäuses 3 und andererseits an dem Boden 4 des Spannkolbens 2 ab.
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In dem nicht gezeigten Boden des zylindrischen Gehäuses 3 ist eine Öffnung mit einem Rückschlagventil angeordnet, um Schmieröl aus dem Schmierölkreislauf der Brennkraftmaschine in den Druckraum 7 einströmen zu lassen.
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Zusätzlich zur Ventileinrichtung 6 ist im Boden 4 des Spannkolbens 2 eine Öffnung 9 vorgesehen, aus der das Schmieröl aus dem Druckraum 7 bei entsprechender Stellung der Ventileinrichtung 6 abströmen kann, da der Druck (pn) am Ende der Öffnung 9 immer geringer ist als der im Druckraum 7 herrschende Schmiermitteldruck (ph). Beispielsweise kann die Öffnung 9 in den Schmierölsumpf der Hubkolbenbrennkraftmaschine führen. Die Öffnung 9 kann eine Bohrung sein, aber auch andere Geometrien aufweisen.
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In 2a ist eine erste Ausgestaltung der Ventileinrichtung 6 dargestellt. Sie besteht aus einer ebenen kreiszylindrischen Platte 10, die von einer Druckfeder 11 gegen einen ortsfesten Anschlag 12 gepresst wird. Dieser Anschlag 12 bildet den Boden der Ventilkammer 5. Er ist an einer Stirnseite der Ventilkammer 5 angebracht. Der Anschlag 12 weist auf seinem Umfang Aussparungen 13 auf. Auf der dem Anschlag 12 gegenüberliegenden Seite der Ventilkammer 5 ist ein Ventilsitz 14 ausgebildet, in dessen Zentrum die Öffnung 9 liegt. Der Ventilsitz 14 wirkt mit der Platte 10 zusammen, so dass beim Aufliegen der Platte 10 auf den Ventilsitz 14 die Öffnung 9 vollständig verschlossen ist.
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Ein Leckagespalt 15 wird zwischen einem äußeren Umfang 16 der Platte 10 und einer Innenwand 17 der Ventilkammer 5 gebildet. Die Geometrie des Leckagespalts 15 bestimmt die Durchflussmenge des Schmiermittels. Im vorliegenden Beispiel besitzt der Leckagespalt 15 eine konstante Größe über den Verstellweg der Platte10.
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In der in 2a gezeigten Stellung der Platte 10 wird eine weiche Dämpfung der hydraulisch arbeitenden Spannvorrichtung 1 erzielt. Hierbei liegt die Platte 10 an dem Anschlag 12 an, da die Kraft der Druckfeder 11 größer ist als die aus dem Druck (ph) des Schmiermittels im Druckraum 7 resultierende und auf die Platte 10 wirkende Kraft. Damit kann Schmiermittel aus dem Druckraum 7 über die Aussparungen 13, durch den Leckagespalt 15, über den geöffneten Ventilsitz 14 durch die Öffnung 9 abströmen, da hier der Druck (pn) niedriger ist als im Druckraum 7.
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Erhöht sich der Druck in dem Druckraum 7, wie in der 2b dargestellt, so kann er die Platte 10 gegen die Kraft der Druckfeder 11 in Richtung auf den Ventilsitz 14 verschieben, bis die Platte 10 am Ventilsitz 14 vollständig anliegt. Dadurch verschließt die Platte 10 die Öffnung 9. Damit ist es für das Schmieröl im Druckraum 7 unmöglich, aus dem Druckraum 7 über die Öffnung 9 abzuströmen. Das Dämpfungsverhalten der hydraulisch arbeitenden Spannvorrichtung 1 entspricht dabei einem harten Betriebszustand, in dem die Steifigkeit der Spannvorrichtung erhöht ist.
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2 c zeigt eine Draufsicht auf den Anschlag 12. Hier sieht man die auf seinem Umfang verteilten Aussparungen 13, durch die - auch beim Anliegen der Platte 10 am Anschlag 12 - immer eine Strömungsverbindung vom Druckraum 7 zur Ventilkammer 5 vorhanden ist.
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Anstelle oder auch zusätzlich zu dem Leckagespalt 15 zwischen dem äußeren Umfang 16 der Platte 10 und der Innenwand 17 der Ventilkammer 5 kann die Platte 10 von zumindest einer Drosselbohrung 18 durchsetzt sein, wie 3a zeigt. Die Drosselbohrung 18 verläuft parallel zur Längsmittelachse der Platte 10 und ist hierbei so in der Platte 10 angeordnet, dass sie durch das Anliegen der Platte 10 an ihrem Ventilsitz 14 vollständig verschlossen wird. Selbstverständlich können anstelle einer Drosselbohrung 18 auch mehrere Drosselbohrungen 18 auf der Platte 10 verteilt angeordnet werden. Auch kann es sinnvoll sein, die Geometrie der einzelnen Drosselbohrungen gleich oder verschieden zu wählen. Diese Ausbildung der Ventileinrichtung 6 mit der die Drosselbohrung aufweisenden Platte 10 ist in der 3b in einem Zustand gezeigt, in dem die Platte 10 dichtend an dem Ventilsitz anliegt. Somit befindet sich die Spanneinrichtung 1 in ihrem harten Betriebszustand.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hydraulisch arbeitende Spannvorrichtung
- 2
- Spannkolben
- 3
- zylindrisches Gehäuse
- 4
- Boden von 2
- 5
- Ventilkammer
- 6
- Ventileinrichtung
- 7
- Druckraum
- 8
- Druckfeder
- 9
- Öffnung in 4
- 10
- Platte
- 11
- Druckfeder von 6
- 12
- Anschlag
- 13
- Aussparung in 12
- 14
- Ventilsitz von 10
- 15
- Leckagespalt
- 16
- äußerer Umfang von 10
- 17
- Innenwand von 5
- 18
- Drosselbohrung
- ph
- Druck des Schmiermittels im Druckraum 7
- pn
- Druck des Schmiermittels außerhalb der Spannvorrichtung 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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