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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spannvorrichtung, insbesondere
für eine Steuerkette eines Verbrennungsmotors, mit einem
Gehäuse, einem in einer Kolbenbohrung des Gehäuses geführten
Spannkolben und einer Blockiereinrichtung, mittels der die Einfahrbewegung
des Spannkolbens blockierbar ist.
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Derartige
Spannvorrichtungen sind weit verbreitet und werden oftmals als Kettenspanner
in Steuerkettentrieben von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie umfassen
in aller Regel ein Gehäuse, in dem ein mittels einer Druckfeder
vorgespannter hohlzylindrischer Spannkolben angeordnet ist. Zwischen dem
Gehäuse und dem Spannkolben bildet sich ein Druckraum aus,
der mit einem Hydraulikmittel gefüllt ist und in dem auch
eine Druckfeder zum Vorspannen des Kolbens angeordnet ist. Der Druckraum
steht über ein Rückschlagventil mit einem Hydraulikkreislauf
des Verbrennungsmotors in Verbindung, um eine Dämpfung
der Einfahrbewegung des Kolbens zu bewirken. Über eine
Drosselöffnung in der Stirnseite des Spannkolbens oder
entsprechende Leckspalte zwischen dem Kolben und dem Gehäuse
kann das Hydraulikmittel wieder aus dem Druckraum entweichen, insbesondere
bei einem durch die Einfahrbewegung des Spannkolbens induzierten
erhöhten Druck im Druckraum.
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Vielfach
umfassen derartige Spannvorrichtungen Ratschenelemente, um die Einfahrbewegung des
Kolbens in das Gehäuse zu begrenzen. Eine derartige Spannvorrichtung
ist aus der
DE 100
14 700 A1 bekannt, bei der ein federvorgespannter Kolben zwei
gegenüber liegend angeordnete Ratschenabschnitte mit einer
Sägezahnprofilierung umfasst. Diese Ratschenabschnitte
wirken mit entsprechenden Ratschenelementen zusammen, um bei einem
Kettenverschleiß eine Nachstellung der auf die Antriebskette
wirkenden Spannkräfte zu ermöglichen. Diese bekannte
Technik der Nachstellung des Spannkolbens bei einer Längung
des Antriebsmittels ermöglicht es zwar eine ausreichende
Spannung auf das Antriebsmittel auszuüben und ein zu tiefes
Einfahren des Spannkolbens in das Gehäuse zu verhindern,
jedoch kann diese Technik nicht verhindern, dass beim Start des
Motors der Spannkolben aufgrund des fehlenden Hydraulikdrucks bis
zum jeweiligen Anschlag einfährt bzw. keine ausreichende
Dämpfung gegenüber Schlägen und Schwingungen
durch das Antriebsmittel vorhanden ist.
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Dieser
Anfahr-Problematik wird beispielsweise in der
DE 201 19 200 U1 durch
eine Spannvorrichtung entgegengewirkt, die eine Rasteinrichtung
aufweist, bei der ein Rastabschnitt des Spannkolbens eine Reihe
von Rastnuten aufweist, in die ein federbelasteter Rastkolben eingreift.
Eine ringförmige Kolbenfläche des Rastkolbens
kann mit dem Öldruck des Hydrauliksystems beaufschlagt
werden, damit der Rastkolben außer Eingriff gebracht werden
kann. Beim Abschalten der Motorhydraulik rastet der Rastkolben in
den Rastabschnitt des Spannkolbens ein und der Spannkolben ist in
seiner Position arretiert und kann auch bei einem erneuten Anschalten
des Motors nicht in das Gehäuse einsinken. Sobald sich im
Hydrauliksystem ein ausreichender Druck aufgebaut hat, wird die
Rastvorrichtung außer Eingriff gebracht und der Spannkolben
arbeitet in normaler Weise gedämpft durch das Hydraulikmittel
im Druckraum. Derartige Rastvorrichtungen haben den Nachteil, dass
die Rastverbindung einem Verschleiß unterworfen ist und
dann in Abhängigkeit des Drucks bzw. der Druckschwankungen
der Motorhydraulik Funktionsprobleme oder -schwankungen aufweisen. Darüber
hinaus ist die Konstruktion solcher Blockiereinrichtungen nicht
nur aufwändig, sondern auch bauraumintensiv.
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Angesichts
der Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Spannvorrichtungen
ist es die Aufgabe der Erfindung eine Spannvorrichtung bereitzustellen,
die ein Durchschlagen oder „Startklappern" des Spannkolbens
bei einer einfachen kostensparenden Konstruktion der Spannvorrichtung
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Blockiereinrichtung einen hydraulisch betätigbaren
Klemmring aufweist, der koaxial zur Kolbenachse zwischen der Innenwandung der
Kolbenbohrung und der Mantelfläche des Spannkolbens angeordnet
ist und gegen eine Federkraft axial entlang des Spannkolbens zwischen
einer Blockierstellung des Spannkolbens und einer Freigabestellung
des Spannkolbens bewegbar ist. Eine derartige Blockiereinrichtung
ermöglicht eine sichere Funktion des Klemmrings und die
Fixierung des Spannkolbens in der Blockierstellung so lange im Hydrauliksystem
kein ausreichender Druck aufgebaut ist, um eine Dämpfung
des Spannkolbens bei einer Einfahrbewegung sicherzustellen. Dabei
ist die Blockiereinrichtung annähernd verschleißfrei
und benötigt im Gegensatz zu herkömmlichen Spannvorrichtungen
nur einen geringen zusätzlichen konstruktiven Aufwand und
nahezu keinen zusätzlichen Bauraum.
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Für
eine direkte Übertragung der Blockierwirkung vom hydraulisch
betätigbaren Klemmring auf den Spannkolben kann der Klemmring
direkt auf die Mantelfläche des Spannkolbens wirken. Dadurch kann
auf ein zusätzliches Klemmelement verzichtet werden.
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Eine
einfache Ausbildung der Spannvorrichtung sieht vor, dass der Klemmring
mindestens eine zur Kolbenachse geneigt zulaufende Druckfläche aufweist.
Durch diese Druckfläche wird eine wirkungsvolle Klemmung
des Spannkolbens in der Blockierstellung bewirkt, trotz der konstruktiv
sehr einfachen Lösung. Um eine ausreichende Klemmkraft
auf den Spannkolben zu erzielen, kann dabei die geneigt zulaufende
Druckfläche des Klemmrings gegenüber der Kolbenachse
eine Neigung von 5° bis 15° aufweisen. Dieser
relativ sanfte Übergang ermöglicht dabei nicht
nur eine relativ hohe Klemmkraft, sondern stellt gleichzeitig sicher,
dass die Lösung des hydraulisch betätigbaren Klemmrings
aus der Blockierstellung in die Freigabestellung keinen unnötig
hohen hydraulischen Druck benötigt.
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Eine
günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Klemmring
eine geschlossene Ringform aufweist. Ein geschlossener Klemmring
lässt sich kostengünstig einfach herstellen, muss
jedoch wenn der Klemmring direkt auf die Mantelfläche des Spannkolbens
wirkt, einen Innendruchmesser mit geringen Toleranzen aufweisen.
Alternativ kann der Klemmring einen Dehnungsspalt aufweisen. Der Dehnungsspalt
ermöglicht ein sicheres Anliegen des Klemmrings an dem
Spannkolben oder andersrum ein auf den Spannkolben wirkenden Klemmring
ohne die extrem hohen Anforderungen bezüglich der Herstellungstoleranzen.
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Vorteilhafterweise
kann der Klemmring einen keilförmigen Querschnitt aufweisen.
Der keilförmige Querschnitt ermöglicht das Bereitstellen
einer großen Klemm- oder Druckfläche und damit
auch eine sichere Funktion der Blockiereinrichtung. Dabei kann die
geneigt zulaufende Druckfläche des Klemmrings als eine
konisch zulaufende sich um den Klemmring erstreckende Druckfläche
ausgebildet sein. Eine konisch entlang des Innen- oder Außenumfangs
des Klemmrings umlaufende Druckfläche lässt sich
im Vergleich zu einzelnen geneigt zulaufenden Druckflächen
einfacher herstellen, bei gleichzeitig maximaler Druckfläche.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Klemmring mittels
einer Druckscheibe hydraulisch betätigbar ist. Die Druckscheibe
ermöglicht eine gleichmäßige hydraulische
Druckbeaufschlagung und somit auch ein ruck- und verkeilfreies Lösen
des Klemmrings. Darüber hinaus ist die Druckscheibe ein
relativ einfaches, kostengünstig herstellbares Bauteil.
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Zweckmäßigerweise
kann der Klemmring in der Blockierstellung mittels einer Druckfeder
vorgespannt sein. Eine Druckfeder ist eine einfache Lösung
eine gegen den Klemmring wirkende Federkraft axial entlang des Spannkolbens
aufzubringen und ist darüber hinaus bei hydraulischen Spannvorrichtungen
gut bekannt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Blockiereinrichtung
ein Abstützelement mit einer Abstützfläche
aufweist, wobei die Abstützfläche mit der geneigt
zulaufenden Druckfläche des Klemmrings zusammenwirkt, um
die Einfahrbewegung des Spannkolbens zu blockieren. Das Abstützelement dient
als Gegenlager für den Klemmring, wobei die Abstützfläche
zusammen mit der Druckfläche des Klemmrings bei einer axialen
Bewegung in die Blockierstellung eine Umsetzung der axial wirkenden Federkraft
in eine radiale Klemmkraft bewirkt und somit die Blockierwirkung
des Klemmrings ermöglicht. Für eine optimale Klemm-
bzw. Blockierwirkung kann die Abstützfläche gegenüber
der Druckfläche gegenläufig geneigt zulaufend
ausgebildet sein.
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Eine
Variante sieht vor, dass die Abstützfläche in
der Innenwandung des Gehäuses ausgebildet ist. Durch die
Ausbildung der Abstützfläche direkt in der Innenwandung
der Kolbenbohrung kann ein ansonsten notwendiges zusätzliches
Teil vermieden werden. Alternativ kann das Abstützelement
als Abstützhülse ausgebildet sein und die Abstützhülse
in der Kolbenbohrung angeordnet, bevorzugt eingepresst, sein. Gegenüber
einer Abstützfläche in der Innenwandung hat die
Verwendung einer separtaten Abstützhülse zwar
den Nachteil eines zusätzlichen Bauelements, jedoch kann
dieses Bauteil relativ einfach und kostengünstig hergestellt
werden, während die Ausbildung einer entsprechenden Abstützfläche beim
Einbringen der Kolbenbohrung in das Gehäuse arbeitsintensiv
und damit auch kostspielig ist.
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Im
Folgenden wird der Aufbau und die Funktion der erfindungsgemäßen
Spannvorrichtung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Spannvorrichtung
in einer Blockierstellung des Spannkolbens;
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2 die
Spannvorrichtung aus 1 in einer Freigabestellung
des Spannkolbens.
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Die
Spannvorrichtung 1 für den Steuerkettentrieb eines
Verbrennungsmotors umfasst einen hohlzylindrisches Gehäuse 2,
in dem ein ebenfalls hohlzylindrischer Spannkolben 3 Längsbeweglich
zur Achse A geführt ist, wobei das Gehäuse 2 und
der Spannkolben 3 gemeinsam einen Druckraum 4 ausbilden.
Der Druckraum 4 ist über ein Rückschlagventil 5 mit
einer fluidgefüllten Kammer 6 verbunden, die durch
zwei Bohrungen 7 mit einer nicht dargestellten Hydraulikeinrichtung
verbunden ist, bevorzugt dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors.
Der Spannkolben 3 ist mit einer im Druckraum 4 angeordneten, schraubenförmigen
Druckfeder (nicht gezeigt) in axialer Richtung vorgespannt und drückt
den Spannkolben 3 in Richtung der Achse A gegen eine Steuerkette
(nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors. Dabei kann im hohlzylindrischen
Spannkolben weiter ein Hohlkörper (nicht gezeigt) angeordnet
sein, der das Volumen des Druckraums 4 reduziert und gleichzeitig die
Druckfeder führt und mit seinem Kopf eine stirnseitige
Entlüftungsbohrung (nicht gezeigt) im Spannkolben 3 gegenüber
dem mit Hydraulikmittel gefüllten Druckraum 4 gedrosselt
abdichtet. Dazu wird der Kopf des Hohlkörpers mittels der
Druckfeder, die sich gegen das Rückschlagventil 5 abstützt,
gegen das stirnseitige Ende 8 des Spannkolbens 3 gedrückt. Das
Rückschlagventil 5 ist am Boden der Kolbenbohrung 9 oberhalb
der fluidgefüllten Kammer 6 angeordnet und weist
einen Ventilkörper 10 auf, der mittels eines Federelements 11 gegen
einen Ventilsitz 12 drückt, um den Druckraum 4 gegenüber
der fluidgefüllten Kammer 6 abzudichten.
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Das
Gehäuse 2 weist auf seinem Außenumfang
einen Gewindeabschnitt 13 auf sowie im Fußbereich
des Gehäuses einen Dichtungsring 14. Mit dem Gewindeabschnitt 13 kann
die Spannvorrichtung 1 in den Steuerkettentrieb eines Verbrennungsmotors montiert
werden und kann gegenüber der Umgebung mittels des Dichtungsrings 14 abgedichtet
werden. Alternativ kann das Gehäuse 2 auch als
Flanschgehäuse ausgeführt sein.
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Zwischen
der Außenwandung des Spannkolbens 3 und der Kolbenbohrung 9 des
Gehäuses 2 ist die Blockiereinrichtung 15 angeordnet.
Dabei umgibt der Klemm ring 16 der Blockiereinrichtung 15 die Mantelfläche
des Spannkolbens 3. Der Klemmring 16 ist dabei
in seinem Querschnitt keilförmig ausgebildet und liegt
mit der parallel zur Kolbenachse A verlaufenden Innenwandung direkt
an der Mantelfläche des Spannkolbens 3 an. Die
Außenfläche des Klemmrings ist folglich als konisch
zulaufende Druckfläche 17 ausgebildet. Die Druckfläche 17 des
Klemmrings 16 wird durch eine Druckfeder 18 gegen
die Abstützfläche 19 der Abstützhülse 20 gedrückt.
Dabei ist die Abstützhülse 20 fest in
der Kolbenbohrung 9 des Gehäuses 2 befestigt,
z. B. eingepresst, und stützt sich gegen eine Schulter 21 in
der Kolbenbohrung 9 ab, um ein Hineinwandern der Abstützhülse 20 in
die Kolbenbohrung 9 zu vermeiden. Die Druckfeder 18 stützt sich
an der Verschlusskappe 22 ab, die die Kolbenbohrung 9 nach
Außen hin abschließt und nur noch eine mittige Öffnung
für den Spannkolben 3 offen lässt. Die
Verschlusskappe 22 kann auf das offene Ende der Kolbenbohrung 9 aufgeschraubt
werden oder in jeder anderen geeigneten Weise befestigt sein, so
lange durch die Befestigung die Abstützung der Druckfeder 18 und
die Einleitung der Federkräfte in das Gehäuse 2 gewährleistet
ist. Zur besseren Übertragung der Federkräfte
von der Druckfeder 18 auf den Klemmring 16 ist
zwischen der Druckfeder 18 und dem Klemmring 16 eine
Federscheibe 23 vorgesehen, die einen möglichst
gleichmäßigen Eintrag der Federkraft in den Klemmring 16 sicherstellt.
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Zum
lösen der Blockiereinrichtung 15 aus der Blockierstellung
in die Freigabestellung des Spannkolbens 3 ist eine Druckscheibe 24 vorgesehen,
die wie der Klemmring 16 die Mantelfläche des Spannkolbens 3 eng
umgibt und den Klemmring 16 an dessen schalen Stirnseite
berührt. Auf der gegenüberliegenden Seite der
Druckscheibe 24 ist zum einen eine Stützhülse 25 vorgesehen,
die sich an einer weiteren Schulter 26 in der Kolbenbohrung 9 abstützt und
die Einfahrbewegung der Druckscheibe 24 und damit auch
des Klemmrings 16 begrenzt. Zum anderen umgibt die Stützhülse 25 ein
ringförmiger Ölkanal 27, der von einem Öleinlass 28 bis
zur Druckscheibe 24 führt.
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Die
Bohrung 7 zur Verbindung der fluidgefüllten Kammer 6 mit
der Hydraulikeinrichtung und der Öleinlass 28,
der die Druckscheibe 24 über den ringförmigen Ölkanal 27 mit
dem Hydrauliksystem verbindet, sind im gleichen Abschnitt des Gehäuses 2 zwischen
dem Fuß des Gehäuses und dem Gewindeabschnitt 13 angeordnet
und benötigen somit nur einen gemeinsamen Zulauf bzw. Anschluss
an das Hydrauliksystem.
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In 1 ist
die Spannvorrichtung 1 in der Blockierstellung des Spannkolbens
dargestellt. Nach einer Außerbetriebnahme der Spannvorrichtung,
d. h. nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors, sinkt der Druck
des am Öleinlass 28 angeschlossene Hydraulikkreislauf
schnell ab und die Druckfeder 18 drückt den Klemmring 16 gegen
die Stützhülse 20. Die keilförmige
Druckfläche 17 des Klemmelements 16 drückt
dann gegen die mit einem komplementären Winkel geneigte
ebenfalls konisch ausgebildete Abstützfläche 19 der
Abstützhülse 20 bis es zu einer Klemmwirkung
des Klemmrings 16 zwischen der Abstützhülse 20 und
dem Druckkolben 3 kommt. Die Klemmwirkung des Klemmrings 16 fixiert
den Spannkolben 3 in seiner beim Abschalten des Motors
eingenommenen Position, da sich der im Druckraum 4 vorhandene
Druck des Hydraulikmittels sehr viel langsamer abbaut, bedingt durch
das Rückschlagventil 5 und die nur sehr kleine
Drosselöffnung zur Entlüftung des Druckraums 4.
Durch das Zusammenwirken der geneigten Druckfläche 17 und
der komplementär geneigten Abstützfläche 19 wird
die von der Druckfeder 18 hervorgerufene axiale Bewegung
des Klemmrings 16 in eine radiale Klemmkraft umgewandelt,
die den Klemmring 16 zusammendrückt und über
die Mantelfläche des Spannkolbens 3 diesen in
seiner Position festhält.
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In
der in 2 dargestellten Betriebsstellung der Spannvorrichtung 1 wirken
die Druckfeder des Spannkolbens 3 und der mit Öl
gefüllte Druckraum 4 in herkömmlicher
Weise als Feder-Dämpfungs-System der Spannvorrichtung 1.
Dabei ist die Funktionsweise dieser Bauelemente identisch mit der
herkömmlicher Spannvorrichtungen. Bei und direkt nach der
Inbetriebnahme der Spannvorrichtung bzw. des Verbrennungsmotors
herrscht im angeschlossenen Hydraulikkreislauf üblicherweise
noch ein zu geringer Druck, um über den Druckraum 4 eine
Dämpfung des Spannkolbens 3 zu erzielen, insbesondere
wenn die Spannvorrichtung 1 so angeordnet ist, dass der Druckraum 4 beim
längeren Stillstand leer laufen kann. In diesem Moment
tritt bei herkömmlichen Spannvorrichtungen das als „Startklappern"
bekannte Durchschlagen des Spannkolbens 3 bis zu seinem Endanschlag
auf, was neben einer Belastung der Spannvorrichtung auch zu einem Überspringen
der Steuerkette und damit zu gravierenden Motorschaden führen
kann. Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 1 wird
jedoch das Einfahren des Kolbens 3 durch die Blockiereinrichtung 15 so
lange verhindert bis sich im angeschlossenen Hydrauliksystem ein
ausreichender Druck aufgebaut hat, der die Dämpfung des
Spannkolbens 3 sicherstellt. Erst beim ausreichenden Druck
in dem angeschlossenen Hydrauliksystem dringt das Hydraulikmittel,
bzw. der Druck des Hydrauliksystems über den Öleinlass 28 und
den Ölkanal 27 bis zur Druckscheibe 24 vor
und schiebt diese zusammen mit dem Klemmring 16 gegen die
Vorspannkraft der Druckfeder 18 auf der Mantelfläche
des Druckkolbens 3 koaxial zur Kolbenachse A in Richtung
des Druckendes des Spannkolbens 3. Durch die Bewegung des
Klemmrings 16 löst sich die Druckfläche 17 von
der Abstützfläche 19, so dass sich zwischen
der Abschnittshülse 20 und dem Klemmring 16 ein
Spalt ergibt und die nachlassende Klemmwirkung des Klemmrings 16 auf
den Druckkolben 3 diesen freigibt, siehe 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10014700
A1 [0003]
- - DE 20119200 U1 [0004]