DE3047047A1

DE3047047A1 - Konstant spannende federvorrichtung

Info

Publication number: DE3047047A1
Application number: DE19803047047
Authority: DE
Inventors: Herbert W. 46241 Indianapolis Ind. Egan jun.; Larry Thomas 46140 Greenfield Ind. George
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1980-04-21
Filing date: 1980-12-13
Publication date: 1981-10-22
Also published as: SE442049B; FR2480889B1; GB2076110A; BR8100553A; SE8008106L; FR2480889A1; GB2076110B; CA1138683A; US4326848A; JPS56150638A

Description

G 52 521

-H-

Wallace Murray Corporation
299 Park Avenue
New York, N.Y. 10017 (USA)

Konstant spannende Federvorrichtung

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine konstant gespannte Federvorrichtung, deren wesentliche Bedeutung darin liegt, eine bestimmte gewünschte Spannung in einem Zubehörriemen eines Kraftfahrzeuges aufrechtzuerhalten. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen bestimmten Verwendungszweck beschränkt und kann ebenfalls als ständig beaufschlagte Federvorrichtung in jeder Art von Umgebung für die Aufrechterhai tung über einen beschränkten Bewegungsbereich einer konstanten Kraft verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen allgemeinen Verwendungszweck sind Rohrhalterun· gen, wie sie in grossen elektrischen Kraftwerken verwendet werden, in denen eine konstante Hebekraft an einem Rohr erwünscht ist.

In einem modernen Kraftfahrzeugmotor bewegt die Kurbelwelle in typischer Weise (1) eine Pumpe für die Betätigung einer Hydrauliklenkung, (2) die Drehstrom- oder Gleichstromlichtmaschine, (3) einen Kompressor für die Klimatisierung und (4) eine Wasserpumpe. In manchen Anlagen ist ein einziger Keilriemen um mehrere Riemenscheiben gelegt, wobei jede Riemenscheibe mit einem jeweiligen Zubehör verbunden ist, das der erwähnten Art entspricht. Designer von Kraftfahrzeigen finden es praktisch, die Spannung in dem Riemen festzuhalten, da es wünschenswert ist, dass die Spannung ständig aufrechterhalten wird. Sollte die Spannung absinken, so würde der Rutschvorgang zwischen dem Riemen und den ver-

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schiedenen Riemenscheiben ansteigen und die Abnützung des Riemens würde sich verstärken. Steigt jedoch die Riemenspannung, so kann auch die Abnützung der Lagerungen am Zusatzzubehör steigen. Veränderungen der Länge des Riemens aufgrund von Veränderungen der Temperatur, Feuchtigkeit und aufgrund von Alterung mit sich daraus ergebenden Veränderungen der Spannung führten zur Suche nach Methoden oder Vorrichtungen, um die gewünschte Riemenspannung aufrechtzuerhalten. Obwohl eine Reihe solcher Vorrichtungen in der Technik bekannt ist, erwiesen sich viele von ihnen aus dem einen oder anderen Grund als unzureichend.

Eine wesentliche Schwierigkeit bei der Aufrechterhaltung der Spannung an einem Zubehörriemen liegt in dem Verhalten von elastischen Substanzen. Die meisten elastischen Stoffe, wie zum Beispiel ein Elastomer, eine Spiralfeder od.dgl. zeigen ein Verhalten, das als Hooke'sches Gesetz bekannt ist, Dieses Gesetz sagt aus, dass die erneuernde Kraft, welcher ein verformtes, elastisches Element unterzogen wird, proportional der Verformung (Verschiebung) des elastischen Elements ist. Wenn also eine Spiralfeder un einen Zoll zusammengedrückt wird, so stellt die Kompressionskraft ein festes Verhältnis der Kraft dar, die notwendig ist, um die Feder um 2 Zoll zusammenzudrücken. Ein elastisches Element zeigt deshalb im allgemeinen eine Kraft im Vergleich zum Verschiebungsverhalten, die für eine Vorrichtung mit konstanter Spannung nicht geeignet ist. In der Vergangenheit nahm man oft zu einem Hebelsystem Zuflucht, um eine konstante oder fast konstante Federkraft zu beaufschlagen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine konstante Kraft oder eine Feder mit konstanter Spannung durch eine spezielle Anordnung von einem oder mehreren Elastomerringen in Verbindung mit einer Stange und einem Zylinder hergestellt werden. Jeder einzelne Elastomerring ist in

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einem Zylinder angeordnet. Ein Anschlag fixiert die normale Stellung des Rings im Zylinder. Ein mit einer Schulter versehenes Gestänge durchquert den Ring, wobei der Ring an die Schulter anschlägt. Die Vorrichtung ist so konstruiert dass eine relative Bewegung des Gestänges zum Zylinder dazu neigt, den Ring um seine kreisförmige Achse zu verklemmen. Eine kontinuierliche Gestängebewegung über einen kritischen Punkt hinaus verursacht eine flache Ansprechreaktion entlang einem Teil der Last-Biege-Kurve. Die erfindungsgemässe Federvorrichtung wird an einer Verschiebungsstrecke zwischen dem Gestänge und dem Zylinder betätigt j weiche dem flachen Abschnitt der Last-Biege-Kurve entspricht.

Es sind Federvorrichtungen bekannt, in denen Elastomerringe

oder ringförmige Elemente verwendet werden. Zum Beispiel verwendet das an Neidhart erteilte U.S.-Patent 2 819 060 Elastomerringe in Verbindung mit steifen konischen Teilen. Weitere Beispiele einer solchen Art Federvorrichtung zeigen die U.S.-Patente 2 179 959, erteilt an Schroidter, 2 189 870, erteilt an Shuyter und 2 538 955, erteilt an Efromson.

Nach Aufbringen einer Last werden die Elastomerteile verformt und ebenfalls einer Roll- oder Drehbewegung entlang ihrer toroidalen Längsachsen unterzogen. Die auf den Elastomerring einwirkende Hauptkraft ist jedoch Kompression mit geringeren Kräften aufgrund von Schereinwirkung und Torsion oder Wendelbewegung. Im Unterschied dazu ist in der vorliegenden Erfindung die auf die elastischen Ringe ausgeübte Hauptkraft eine Torsionskraft mit geringeren Kompressionsund Scherkräften. Ein noch grösserer Unterschied liegt darin, dass Neidhart und andere keine spezifische Anordnung oder Methode zeigen oder vorschlagen, in der die Federvorrichtung

so betätigt werden kann, dass sie eine konstante, erneuernde (elastische) Kraft über wenigstens einen begrenzten Verschiebungsbereich liefert.
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Im Bereich elastischer Montagen ist es bekannt, eine elastische Haltevorrichtung zu konstruieren, die innere und äussere Zylinder enthält (die dem äusseren Zylinder und dem inneren Gestänge der vorliegenden Erfindung entsprechen), sowie einen dazwischen angeordneten Elastomerring. Ein Beispiel dieser bekannten Art einer mit Gummi hergestellten Montage oder Verbindung wird in dem an Thiry erteilten U.S.-Patent 2 716 gezeigt. Solche Vorrichtungen werden jedoch nicht auf einem flachen Abschnitt der Last-Biege-Kurve der Bewegung des inneren Zylinders gegen den äusseren Zylinder betätigt. Dies liegt offensichtlich daran, dass es den Erfindern solcher früherer Verbindungen nicht aufgefallen ist, dass es in der relativen Bewegung zwischen dem inneren und äusseren Zylinder einen kritischen Punkt gibt, über den hinaus es zumindest in einem beschränkten Bereich einen flachen Ansprechbereich gibt, der als konstante Spannungsvorrichtung verwendet werden kann. Ausserdem erfordern zahlreiche elastische Montagen nach der Art von Thiry eine wesentliche Vorspannung oder Vorkompression des Elastomerteils zwischen den inneren und äusseren

Zylindern bei der Montage und vor der Beaufschlagung. ERKLÄRUNG DER ZEICHNUNGEN:

Figur 1 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemässe konstant gespannte Vorrichtung.

Figur 2 ist eine Ansicht entlang dem Schnitt 2-2 aus Figur

Figur 3 ist eine Last-Biege-Kurve für die Federvorrichtung aus den Figuren 1 und 2.

Die Figuren 4, 5 und 6 sind Teilansichten des Zylinders, der Elastomerringe und des Gestänges aus Figur 2 und zeigen die Roll- oder Wendel verschiebung, der ein Elastomerring, hier der untere elastische Ring, um seine Toroidal- oder Längsachse unterzogen wird mit kontinuierlicher Bewegung des Gestänges relativ zum Zylinder.

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Figur 7 ist eine schematische Teilansicht und zeigt die Verwendung der erfindungsgemässen, konstant gespannten Vorrichtung in einem Kraftfahrzeugmotor, in der die Kurbelwelle an eine Anzahl von Zubehörteilen mittels eines'einzigen flexiblen Riemens gekoppelt ist.

In den Zeichnungen bezeichnet die Referenznummer 10 durchgehend die erfindungsgemässe, konstant vorgespannte Vorrichtung einschliesslich eines rechten kreisförmigen Zylindergehäuses 12 mit einem kontinuierlichen, ringförmigen Innenanschlag 14, der innerhalb der Zylinderenden angeordnet ist. Die Bezugsnummer 16 bezeichnet einen Schwenkzapfen, welcher durch das untere Ende des Zylinders 12 und durch zusätzliche öffnungen in den Seiten 20 eines U-förmigen Verriegelungshebels 18 reicht. Die Seiten 20 sind ebenfalls mit ausgerichteten öffnungen 22 für eine Befestigung an einer Halterung im Motorraum eines Kraftfahrzeuges ausgerüstet.

Die Seiten des Hebels 18 können, wie mit der Bezugsnummer 24

angezeigt, abgeschrägt sein. Die Bezugsnummer 30 bezeichnet ein Gestänge mit einem unteren Teil 32 mit reduziertem Durchmesser, wobei die Teile 30 und 32 im Bereich des Schulteranschlages 34 am unteren Ende des Gestänges 30 integral verbunden sind. Der obere Teil des Gestänges 30 weist einen verbreiterten Teil 36 auf, wobei beide Teile am Schulteranschlag 40, welcher der untere Teil der Verbreiterung 36 ist, integral verbunden sind. In der Verbreiterung 36 ist eine öffnung 42 für Befestigung an einem Teil des Motorzusammenbaus vorgesehen.

Die Bezugsnummern 46 und 48 bezeichnen jeweils untere und obere Elastomerringe, welche auch als ringförmige Elastomerteile bezeichnet werden können. Die unteren Teile dieser Elemente liegen auf einem inneren Anschlag 14 auf, wobei sich das Gestänge 30 durch eine zentrale öffnung im oberen Elasto-

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merring 46 erstreckt, während der Gestängeteil 32 durch eine entsprechende zentrale Öffnung im Elastomerring 48 reicht. Schulteranschläge 40 und 34 berühren jeweils die Ringe 46 und 48. Die Elastomerringe sind nicht fest mit der Innenfläche des Zylinders 12 verbunden.

Figur 3 in den Zeichnungen in Verbindung mit den Figuren 4, 5 und 6 verdeutlichen die Erfindung und zeigen ihren Betrieb während das Gestänge 30 nach unten relativ zum Zylinder 12 bewegt wird, wie in Figur 2 dargestellt. Das Segment AB aus Figur 3 zeigt ein Verhalten ähnlich dem, welches durch eine Anwendung des Hooke'schen Gesetzes auf eine solche relative Bewegung erwartet würde. Insbesondere erhöht sich mit steigender Last die resultierende Durchbiegung (Abwärtsbewegung des Gestänges 30 mit Bezug auf Zylinder 12) in weitgehend linearer Weise. Das heisst, je grosser die Biegung, um so grosser wird die Elastomerbelastungskraft.

Figur 5 der Zeichnung zeigt die Konfiguration des unteren Elastomerringes 48 an einem Punkt, der Punkt B in Figur 3 entspricht. Auf diese Weise wird bei einer Bewegung aus der normalen oder Ruhestellung in Figur 4 in die verdrehte Stellung in Figur 5 aufgrund der Abwärtsbewegung des Gestänges 30 im Vergleich zum Zylinder 12 die Relation zwischen der Belastungskraft des Elastomers und der Biegung des Gestänges 30 durch das Segment AB gezeigt.

Ein weitere Bewegung des Gestänges 30 mit Bezug auf Zylinder 12 resultiert in einer weiteren Verdrehung des Elastomerringes 48. Der Ring bewegt sich weiter und die Bewegung ist eine Kombination der Abwärtsbewegung und der Verdrehung um seine Kreisachse. Während dieser Weiterbewegung hält der Anschlag 14 den unteren Teil des Ringes 48 in der in Figur 2 gezeigten Stellung. Die in Figur 6 dargestellte Verdrehung ist das Ergebnis eines Rollens des Ringes und einer begrenz-

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- /loten Gleitbewegung relativ zum Zylinder 12. Die von der Schulter 34 auf den Ring 48 ausgeübte Hauptkraft ist eine Torsionskraft mit geringeren Kompressions- und Scherkräften des Elastomers.
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Der Leser wird feststellen, dass das Segment BC der Figur der Anwendungs- oder Betriebsbereich der in den Figuren und 2 der Zeichnungen gezeigtenVorrichtung ist. Insbesondere ist zwischen den Punkten B und C die von den Elastomerteilen 46 und 48 auf das Gestänge 30 ausgeübte Kraft, die das Gestänge 30 zurück in die in Figur 2 der Zeichnungen gezeigte Stellung zwingt, weitgehend von der Verschiebung des Gestänges 30 relativ zum Zylinder 12 unabhängig. Die Last/Biege-Kurve ist im Bereich BC im wesentlichen flach.

Jenseits von Punkt C auf der Kurve in Figur 3 würde eine weitere Abwärtsbewegung des Gestänges 30 relativ zum Zylinder 12 in einer weiteren Verformung der Elastomerringe resultieren und die Kurve aus Figur 3 zeigt jenseits dieses Punktes eine verstärkte Neigung.

Dass das am Segment BC der Figur 3 gezeigte Verhalten in einer wirklichen Kraftfahrzeuganlage wünschenswert ist, wird nun mit Bezug auf Figur 7 der Zeichnungen gezeigt.

Die erfindungsgemässe konstant gespannte Vorrichtung 10

ist schematisch angedeutet, wobei ein Ende an einem Rahmenteil Im Motor und das andere Ende an einem angelenkten Bügel befestigt ist, auf den die die Wechselstromlichtmaschine montiert ist. Der Leser sieht nun, dass mit einer gewünschten Riemenspannung von z.B. 120 Pfund dann entweder ein Nachlassen oder eine Verlängerung des Riemens, wie sie durch Veränderungen aufgrund von Alterung, Temperatur, Feuchtigkeit etc. verursacht werden, normalerweise in einer Veränderung des gewünschten Spannungswertes resultieren würden. Durch die Erfindung wird jedoch (1) jede beliebige

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Erhöhung der Riemenlänge, die normalerweise eine Verringerung der Spannung verursachen würde, durch eine Bewegung der konstant gespannten Vorrichtung 10 kompensiert, und eine solche zusätzliche Bewegung im Bereich BC verursacht keine Veränderung in der durch die gespannte Vorrichtung 10 auf den Riemen ausgeübten Kraft und (2) wird 1n gleicher Weise eine beliebige Verringerung der Riemenlänge, die eine Bewegung der gespannten Vorrichtung 10 im Bereich BC bewirkt, nicht in einer Veränderung der Riemenspannung resultieren.

Die Roll- oder Drehverformung der Elastomerringe 46, 48 beruht auf der Art ihrer Anordnung im Zylinder 12 zusammen mit der Anordnung der Schulteranschläge 34, 40. Damit sich die Elastomerringe verdrehen können, 1st es notwendig, dass der Mindestdurchmesser der Innenanschläge 14 grosser ist, als der maximale Durchmesser der Schulteranschläge 34, 40. Ausserdem müssen die entsprechenden Innenanschläge 14 und die Schultern 34, 40 bei jedem Elastomerring in axialem Abstand voneinander angeordnet sein. Weiterhin dürfen die Elastomerringe nicht fest mit dem Zylinder 12 verbunden sein, so dass die in den Figuren 4 und 5 gezeigte drehende oder rollende Bewegung ermöglicht wird. In der in Figur 2 gezeigten normalen oder nicht beaufschlagten Stellung sind die Elastomerringe weitgehend unkomprimiert und unverdreht.

Für die Herstellung der erfindungsgemassen konstant gespannten Vorrichtung können verschiedene Elastomere verwendet werden. Die spezifische Art des Elastomers sowie die spezifischen Abmessungen der Vorrichtung und dgl. hängen von dem Verwendungszweck des Riemens ab. Durch Versuche auf dem Prüfstand od.dgl. wird der kritische Punkt B festgestellt, welcher den Abschnitt BC auf der Last-Biege-Kurve einleitet. Der Mittelpunkt des Abschnittes BC kann als der normale Betriebspunkt gewählt werden, um so eine konstante Kraft sowohl auf die Schrumpfung als auch auf die Verlängerung des

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- /fr-Riemens auszuüben. So wird die Vorrichtung, wie in Figur 7 gezeigt, in einer wirklichen Anlage anfangs komprimiert, so dass der ARbeitsvorgang auf einem Teil des flachen Abschnitts BC in Figur 3 beginnt.
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In einer erfindungsgemässen Ausführungsart hatte der Zylinder 12 eine Länge von etwa 5 Zoll, einen Durchmesser von 1 Zoll und war aus Metallblech hergestellt. Der Abstand zwischen den Punkten 16 und 22 betrug etwa 1,3 Zoll und die

Punkte 42, 16 und 22 wirkten zusammen, um die in Figur 2

gezeigte Knebel- oder Schnappwirking auszuüben. Die Elastomerringe hatten eine Dicke von etwa 1/2 Zoll. Wenn, wie 1n Figur 7 gezeigt, die Spannvorrichtung 10 In einen Motor eingebaut ist, so sind ihre Elastomerringe, wie in Figur 6 gezeigt, verdreht, und die Vorrichtung arbeitet zu Beginn am Mittelpunkt des flachen Teils Ihrer Last-Biege-Kurve. Wie gezeigt, übt die Spannvorrichtung Über einen angelenkten Haltebügel der Lichtmaschine eine Kraft auf den Riemen aus. Die in Figur 2 gezeigte Ansicht der Spannvorrichtung 10 zeigt natürlich den nicht verdrehten, nicht eingebauten Zustand, zeigt jedoch die Knebelwirkung.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE :

1.)Verfahren für den Betrieb einer Federvorrichtung, um eine konstante Kraft über mindestens einen begrenzten Biegebereich zu erreichen, wobei die Federvorrichtung von einem zylindrischen Gehäuse mit mindestens einem Elastomerring darin gebildet wird und das Gehäuse einen inneren Anschlagrand aufweist, um den Aussenrand eines Endes des Ringes zu halten, der relativ zu dem Gehäuse gegen Kräfte in einer Richtung befestigt ist, und ein Last aufnehmendes Gestänge mit einer Schulter vorgesehen ist, die am Innenrand des anderen Endes des Elastomerringes anliegt, wobei der Durchmesser des inneren Anschlagrandes grosser als der Durchmesser der Anschlagschulter des Gestänges ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (1) Andrücken des Gestänges gegen den Elastomerring, um den Elastomerring gegen den Anschlagrand zu zwingen und so den Elastomerring einer Verdrehung zu unterziehen, wobei die Last-Biege-Kurve zumindest zu Anfang dem Hooke'schen Gesetz folgt, (2) Fortsetzung der Kraft, bis ein Bereich der Last-Biege-Kurve erreicht ist, der im wesentlichen flach ist und in dem die Last weitgehend unabhängig von der Durchbiegung ist, während der Elastomerring um seine Kreisachse verdreht wird und (3) Betrieb der Federvorrichtung in ihrem im wesentlichen flachen Bereich, wodurch die Federvorrichtung benutzt werden kann, um gegen einen Zubehörriemen in einem Verbrennungsmotor zu drücken, um in diesem Riemen eine gewünschte Spannung aufrechtzuerhalten, die weitgehend unabhängig von Veränderungen der Riemenlänge ist, wie sie z.B. durch Veränderungen in Temperatur, Feuchtigkeit und durch Alterung hervorgerufen werden.

2. Konstant gespannte Federvorrichtung für den Zubehörriemen eines Kraftfahrzeugmotors, welche ein zylindrisches

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ORIGINAL INSPECTED

Gehäuse enthält, in dem mindestens ein ringförmiger Elastomerring angeordnet ist, wobei die Aussenseiten des Elastomerringes mit einem Teil der Innenfläche des Zylinders in Berührung stehen und das Gehäuse einen inneren Anschlagrand aufweist, der den Elastomerring berührt, um den Aussenrand einer Endfläche des Ringes mit Bezug auf den Zylinder gegen Kräfte in einer Richtung festzuhalten, und ein Lastaufnahmegestänge mit einer Schulter, die gegen den Innenrand der anderen Endfläche des Elastomerringes anliegt, wobei die Gestängeschulter einen kleineren Durchmesser als der Anschlagrand aufweist, wobei die Verbesserung darin besteht, dass der Elastomerring im normalen, unbelasteten Zustand weitghend unkomprimiert ist und die Seiten des Ringes nicht verklebt sind, um so zu ermöglichen, dass sich die Seiten des Ringes von der Innenfläche des zylindrischen Gehäuses wegbewegen, wodurch die Bewegung der Gestängeschulter gegen den Anschlag den Elastomerring veranlasst, sich um seine Kreisachse zu verdrehen, woraus sich ein flacher Bereich über einen Teil der Last-Biege-Kurve der

Vorrichtung ergibt, wodurch die Vorrichtung entlang dem

flachen Bereich der Last-Biege-Kurve betrieben werden kann, damit ein Zubehörriemen eines Kraftfahrzeugmotors eine konstante Spannung erhält, um Veränderungen in der Riemenlänge aufgrund von Temperatur, Alterung und Feuchtigkeit auszugleichen.

3_ Federvorrichtung nach Anspruch 2, in der die Schulter einen integralen Teil des Gestänges bildet.

4. Federvorrichtung nach Anspruch 2, in der ein zweiter Elastomerring in dem zylindrischen Gehäuse in axialem Abstand vom ersten Elastomerring angeordnet und durch einen gleichartigen zweiten Anschlag gleichartig in dem Gehäuse positioniert ist, wobei das Gestänge eine zweite

Schulter trägt, die ebenfalls einen kleineren Durchmesser

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als Ihr entsprechender Anschlagrand aufweist und der zweite Elastomerring und die zweite Schulter in gleicher Weise zueinander angeordnet sind und betrieben werden.

5. Federvorrichtung nach Ansprcuh 4, in der die beiden Schul tern einen integralen Teil der Gestänge bilden und durch Gestangesegmente mit ständig abnehmendem Durchmesser gebildet werden.

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