DE3724963A1 - Spannelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Spannelemente der hier in Rede stehenden Art dienen insbe­ sondere dem Spannen von Ketten, Riemen oder Gruppen von Ketten-, Riemen- oder Gurttrieben oder generell dem Spannen oder Vorspannen beweglicher Bauteile in Richtung der Nor­ malen der Angriffsfläche des Spannelementes. Die Kraftüber­ tragung vom Spannelement auf das zu spannende Teil erfolgt dabei in aller Regel durch einen einarmigen Hebel, der mit seinem einen Ende drehfest mit einer der beiden Hülsen des Spannelementes verbunden ist, und der mit seinem anderen Ende unmittelbar auf dem zu spannenden Teil aufliegt, sei dies mit einem Gleitlagerelement, sei dies mit einem gleitlager- oder wälzlagergelagertem, den Andruck übertragenden Laufrad. Dabei wird die zuletzt genannte Lösung vorzugsweise zum Spannen der Übertragungsglieder von Trieben der vorstehend genannten Art sowie dann eingesetzt, wenn eine Minimierung der Reibungsverluste quer zur Wirkrichtung des Spannelements, genauer gesagt des Spannelementhebels, gefordert wird.

Während Spannelemente der hier in Rede stehenden Art nach älterer Bauweise überwiegend mit Spiralbandstahlfederele­ menten ausgerüstet sind, beginnen sich seit jüngerer Zeit in der Praxis Spannelemente in Gummi-Metall-Bauweise durch­ zusetzen. Dabei sind aus der Praxis Spannelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Bauart bekannt, bei denen der Gummifederkörper entweder als massiver Gummikörper oder als ein mit zylindrischen Axialkanälen durchsetzter Gummiblick ausgelegt sind.

Bekannte Spannelemente der vorstehend beschriebenen Art zei­ gen in der Praxis vor allem zwei Schwachstellen, nämlich (1) eine zu geringe Standzeit und (2) einen wenig befriedigenden Verlauf der Federkennlinie.

Während bei Stahlfederelementen die zu geringe Standzeit in der Regel auf Korrosion und Ermüdung zurückzuführen ist, sind hohe Scherlastkomponenten in Verbindung mit Zugbe­ lastungskomponenten die Ursache für ein häufig beobachtetes frühzeitiges Einreißen und damit Ausfallen der Gummifedern von Spannelementen der hier erörterten Art.

Das zweite vorstehend genannte Problem beruht darauf, daß die Kraft, mit der der Übertragungshebel von der Feder des Spannelementes beaufschlagt wird, eine Funktion des Winkels ist, um den die beiden Hülsen des Spannelementes relativ gegeneinander verdreht sind. Wenn also beispielsweise der Kopf des Übertragungshebels auf einem zu beaufschlagenden Teil aufliegt, das einen größeren Weg in Richtung der Kraft­ beaufschlagung zurücklegt, so bleibt die Kraft, mit der das Teil durch ein herkömmliches Spannelement beaufschlagt wird, nicht konstant, sondern kann sich im Gegenteil sogar recht erheblich verändern. In den meisten Anwendungsfällen, ins­ besondere beispielsweise beim Spannen der Übertragungsglie­ der von Trieben, ist eine solche Veränderung der Spannkraft jedoch höchst unerwünscht und eine über eine lange Hub­ strecke möglichst konstante Spannkraft angestrebt. Mit ande­ ren Worten, die Kennlinie eines solchen Spannelementes soll­ te im Arbeitsbereich über einen möglichst großen Winkel der relativen Verdrehung der beiden Hülsen des Spannelementes gegeneinander einen möglichst horizontalen Verlauf der Fe­ derkraft zeigen. Alle bekannten Stammelemente zeigen dage­ gen einen mehr oder minder konstanten progressiven Kennlinien­ verlauf, der Ursache der vorstehend beschriebenen Spannkraft­ probleme ist.

Ausgehend von diesem aus der täglichen Praxis bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spannelement der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß zur Erzielung einer verlängerten Betriebs­ standzeit die Beanspruchung des Federelements verringert wird und die Kennlinie des Spannelements über einen ausge­ dehnten Arbeitsbereich hinweg zumindest praktisch horizontal verläuft.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Spann­ element, das die insgesamt im Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.

Das Spannelement der Erfindung, ein Gummi-Metall-Verbundele­ ment, ist also wesentlich dadurch gekennzeichnet, daß die Innenhülse und die Außenhülse des Spannelementes nicht durch ein Vollmaterial, sondern durch Stege, die mehr oder minder breit oder schmal ausgebildet sein können, miteinander ver­ bunden sind, die hier der Einfachheit halber kurz als "Radial­ stege" bezeichnet sind, und zwar selbst dann, wenn sie im streng geometrischen Sinne gerade insgesamt durchaus nicht "radial" stehen. Diese Radialstege, die die Innenhülse und die Außenhülse miteinander verbinden, sind erfindungswesent­ lich dadurch gekennzeichnet, daß zumindest jeweils eine der beiden Seitenflächen, die die Radialstege begrenzen, zumin­ dest im wesentlichen tangential zum Außenmantel der Innen­ hülse ausgerichtet ist, und zwar mit einer solchen Neigung, daß diese Seitenfläche des Radialsteges bei der bestimmungs­ gemäßen Relativverdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinan­ der im Sinne eines Spannen des Spannelementes einer Stauchung unterliegt, das Gummifedermaterial in diesem Bereich also einer materialschonenden Druckverformung und nicht wie beim Stand der Technik einer das Material hochgradig beanspruchen­ den Zugverformung unterliegt. Durch diese materialschonende Druckverformung des Elastomers beim Spannen des Spannelemen­ tes gemäß der Erfindung wird eine spürbare Verlängerung der Betriebsstandzeit des Spannelementes erreicht. Diese Verlänge­ rung der Lebensdauer macht sich dann verstärkt bemerkbar, wenn nicht nur eine der beiden Seitenflächen der Radialstege, sondern beide Seitenflächen gemeinsam zumindest im wesent­ lichen tangential zum Außenmantel der Innenhülse ausgerichtet sind, an der der Radialsteg radial innen angebunden ist.

Die tangentiale Schrägstellung zumindest einer der beiden Flanken oder Seitenflächen der Radialstege, die im Spann­ element gemäß der Erfindung die Innenhülse und die Außen­ hülse drehelastisch miteinander verbinden, beruht darauf, daß bei einem Verdrehen der beiden Hülsen gegeneinander der Radialsteg zunächst, abgesehen von relativ kleinen Schub­ spannungsanteilen, praktisch ausschließlich unter Druck verformt wird. Die entsprechende Kennlinie verläuft in die­ sem Beanspruchungsbereich (stets bezogen auf die relative Verdrehung der beiden Hülsenteile gegeneinander) relativ steil progressiv, wie dies für Gummipuffer typisch ist.

Wenn der zunächst mit zumindest einer Flanke tangential stehende Radialsteg dann durch die das Spannelement spannen­ de Verdrehung der beiden Hülsenelemente gegeneinander so weit verformt ist, daß er, zumindest bezogen auf seine innere Verformungsspannungsverteilung, radial steht, ist das Maximum der Druckverformungsspannung erreicht, bzw. bereits nach geringem Überdrehen, überschritten. Dies bedeutet, daß bei einem Spannen über den Radialpunkt hinaus die Druck­ spannung abgebaut wird und der Radialsteg praktisch nur noch geringe Schubspannungskomponenten enthält. In diesem Bereich wird also die kompressive Rückstellkraft, die zur weiteren Verdrehung erforderliche Scherkomponente bei entsprechender Einstellung der Gummikonturen, zumindest im wesentlichen kom­ pensieren. Dies bedeutet, daß die Federkennlinie des Spann­ elements in diesem Arbeitsbereich in der erwünschten Weise praktisch horizontal verläuft, bzw., bei entsprechender Ein­ stellung, verlaufen kann. Dabei genügen bereits geringfügige Konturenveränderungen, die der Fachmann durch wenige routine­ mäßige Handversuche leicht ermitteln kann, um die Kennlinie in der einen oder anderen Richtung aus der Horizontalen herauszuheben. Diese Einstellung kann dabei am einfachsten über die Einstellung der zweiten Flanke des Radialsteges er­ folgen. Je weiter diese zweite Flanke bereits im entspann­ ten Zustand nicht tangential, sondern in Richtung auf eine radiale Stellung verschoben ist, um so eher werden nach dem Überschreiten, ggf. auch schon kurz vorher, Zugspannungskompo­ nenten neben den Schub- und Scherkomponenten auftreten, die den Verlauf der Kennlinie mitbestimmen. Da diese Zugkompo­ nenten jedoch nach dem Überschreiten des Druckmaximums spürbar zunehmen, wird bei bewußter Vorgabe von Schubkompo­ nenten ein steilerer Verlauf der Kennlinie im Arbeitsbe­ reich, ggf. ein früheres Einsetzen des progressiven Endbe­ reiches der Kennlinie sowie die Progression des Übergangs aus dem Arbeitsbereich in den Endbereich der Kennlinie ein­ gestellt.

Bei dieser Art der Einstellung wird zwar in Kauf genommen, daß bewußt Konturen gewählt werden, die nach dem Überschrei­ ten des Kompressionsmaximums in radialer Stellung der Ra­ dialstege zu Zugspannungskomponenten zur Kennlinienbeein­ flussung verwendet werden, also Belastungskomponenten, die das Gummifedermaterial sehr stark belasten, jedoch ist da­ bei zu bedenken, daß zum Zwecke dieser Kennlinienbeein­ flussungen lediglich Zugspannungskomponenten auf der der Tangentialflanke gegenüberliegenden Flanke des Radialsteges verwendet werden und nicht wie beim Stand der Technik der Gesamtradialsteg von Anfang an einer Zugspannung ausgesetzt wird. Zum anderen wird bei einem Abwägen der Ziele stets die Möglichkeit einer weitgehend freien Konturierung der Kenn­ linie und einer Anpassung der Kennlinie an die Anforderungen des geplanten Einsatzbereiches deutlich den Vorrang haben vor einer Ausnutzung und Einstellung einer minimalen Werk­ stoffbelastung zu Gunsten einer maximalen Verlängerung der Betriebsstandzeit.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel des Spannelements;

Fig. 2 ebenfalls im Querschnitt, ein zweites Aus­ führungsbeispiel des Spannelements;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Spann­ elements; und

Fig. 4 in schematischer Darstellung die Federkenn­ linie des in Fig. 3 gezeigten Spannelementes.

Das im radialen Querschnitt in Fig. 1 gezeigte erste Ausfüh­ rungsbeispiel des Spannelements gem. der Erfindung zeigt das Spannelement, das aus einer Außenhülse 1 aus Stahl und aus einer zu dieser koaxialen Innenhülse 2, ebenfalls aus Stahl, und einem gegenüber der Außenhülse 1 und der Innen­ hülse 3 jeweils drehfest einvulkanisiertem Elastomerblock 3 besteht, der die Außenhülse 1 und die Innenhülse 2 drehela­ stisch miteinander verbindet. Der Elastomerblock 3, das eigentliche Federelement des Spannelementes, ist mit beid­ seitig offenen axialen Kanälen 4 durchsetzt, deren Mittel­ achsen insgesamt auf einem gemeinsamen geometrischen Ort, nämlich einer Zylindermantelfläche 5 liegen. Diese Zylin­ dermantelfläche 5 ist ebenfalls koaxial zu den Hülsen des Spannelementes ausgerichtet.

Durch die Kanäle 4 ist Elastomerblock 3 in vier Radial­ stege 6 aufgeteilt. Jeder der Radialstege hat zwei Seiten­ flächen bzw. Flanken 7, 8, die in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beide gleichsinnig gegenüber der Radiuslinie des Spannelementes geneigt sind. Beide Flanken­ flächen 7, 8 sind eben und verlaufen einheitlich durch­ gehend von der einen bis zur gegenüberliegenden Stirn­ seite des Spannelements. Dabei sind die beiden Seiten­ flächen 7, 8 des Radialsteges 6 in der Weise geneigt, daß sie zumindest im wesentlichen als Tangentialflächen zum Außenmantel 9 des inneren Hülsenelementes 2 ausgerichtet sind. Dabei steht der Elastomerblock 3 bei dem in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel zwar unter einer gewissen radialen Vorspannung, jedoch unter keiner Dreh­ beaufschlagung.

Bei einer Relativverdrehung der beiden Hülsen 1, 2 gegen­ einander in der in der Fig. 1 durch den Pfeil 10 angedeu­ teten Richtung wird jeder der Radialstege 6 homogen auf Druck beansprucht, und zwar im Bereich seiner beiden Seitenflächen oder Flanken 7, 8. Diese Druckkomponente wird lediglich durch eine Schubkomponente überlagert, die wesentlich dafür verantwortlich ist, daß das Spann­ element nach dem Durchdrehen der Radialstege 6 durch die Radiallinie sich nicht bistabil verhält, sondern unter den herrschenden Rückstellkräften in seine in Fig. 1 gezeigte Ruhelage zurückkehrt. Unter Bezug auf die Kenn­ linie sind es also im wesentlichen diese Schubkräfte, die im Bereich der Radialstellung der Radialstege 6 einen zumindest im wesentlichen horizontalen Verlauf der Kenn­ linie herbeiführen, also einen ebenfalls unerwünschten degressiven Verlauf der Kennlinie verhindern, der durch die reine Kompressionskomponente erzeugt werden würde.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Spannelementes treten im bestimmungsgemäßen Arbeits­ bereich und den angrenzenden Progressionsbereichen praktisch keine Zugbelastungskomponenten auf. Erst bei einem sehr weiten Überdrehen des Arbeitsbereiches treten zu den dominanten Schubspannungen und den zu­ nehmend weiter abgebauten Druckspannungen merkliche Anteile von Zugkomponenten, die zusammen mit den Zug­ spannungskomponenten für den steilen Progressions­ abschluß der Kennlinie verantwortlich sind, auf.

In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Spannelements gezeigt. Die einzelnen Teile sind mit den auch in der Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen, solange sie funktionsgleich sind.

Während bei dem in Fig. 1 gezeigten Spannelement relativ große Spannkräfte beim Verdrehen der beiden Hülsen gegen­ einander aufgebracht werden, da relativ breite und starke Radialstege 6 unter einen recht erheblichen Kompressions­ druck gesetzt werden und durch die Breite der Stege auch erhebliche Schubkräfte auftreten, sind die von dem Spann­ element gemäß Fig. 2 aufgebrachten Spannkräfte durch die relativ dünne Ausbildung der Radialstege 6 deutlich geringer als für das in Fig. 1 gezeigte Spannelement. Da aufgrund der wesentlich schmaleren Radialstege 6 auch die im Spannelement gemäß Fig. 2 wirksamen Schubkräfte wesentlich geringer sind als die in dem Spannelement gemäß Fig. 1 auftretenden Schubkräfte, sind die jeweils in Drehrichtung vorne liegenden Seitenwände 8 der Radial­ stege 6 nicht mehr tangential zum Außenmantel der inneren Hülse 2, sondern nahezu, wenn auch nicht exakt, radial ausgerichtet. Dies führt dazu, daß über das im Bereich dieser Flanke 8 bei einer Relativverdrehung der beiden Hülsen gegeneinander in Richtung des Pfeils 10 Zugkräfte wirksam werden, die die relativ geringen Druckkomponenten und Schubkomponenten ergänzen. Im Ergebnis zeigen die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Spannelemente abgesehen vom Absolutbetrag der verfügbaren Rückstellkraft jedoch gleiches Funktionsverhalten. Typisch für beide Spann­ elemente ist ein nicht allzu breiter Arbeitsbereich mit mäßig ansteigender Kennlinie.

Eine deutlich flacher verlaufende und breitere Kennlinie weist das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Spannelementes auf, dessen Kennlinie schematisch in dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm wiedergegeben ist.

Während bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Spann­ elementen jeweils vier Ringstege die Innenhülse und die Außenhülse miteinander verbinden, sind bei dem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel acht sol­ cher Ringstege 6 ausgebildet. Jeder der Ringstege weist eine zumindest im wesentlichen plane Seiten­ fläche 7 auf, die tangential zum Außenmantel 9 der inneren Hülse 2 ausgerichtet ist. Die gegenüberliegen­ de Seitenfläche 8 jedes Radialsteges 6 ist ähnlich wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wiederum zumindest im wesentlichen ungefähr tangential zum Außen­ mantel 9 der inneren Hülse 2 ausgerichtet, wobei diese Seitenfläche 8 des Radialsteges 6 jedoch nicht wie in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel plan, son­ dern mehr oder minder stark ausgesprägt konkav gestal­ tet ist. Durch diese Durchkrümmung der zweiten Seiten­ fläche des Radialsteges 6 bei zumindest im wesentlichen tangentialer Ausrichtung, bezogen auf den Außenmantel der Innenhülse, wird einerseits in diesem Bereich bei der Verdrehung der beiden Hülsenhälften gegeneinander in Richtung des in Fig. 3 eingezeichneten Pfeils 10 der Aufbau einer so hohen Druckspannung vermieden, wie er aufträte, wenn auch die Flanke 8 plan wäre. Zum ande­ ren wird dadurch außerdem der Schubspannungsaufbau ver­ mindert, so daß insgesamt eine flache, nahezu horizontal verlaufende Kennlinie im Arbeitsbereich erhalten wird, die zudem auch breiter als die entsprechenden Kennlinien für die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbei­ spiele ist.

In schematischer Darstellung ist in der Fig. 4 die Kenn­ linie für ein Spannelement der in Fig. 3 gezeigten Art dargestellt. Auf der Abszisse des Diagramms der Fig. 4 ist der Winkel aufgetragen, um den die beiden Hülsen­ teile 1, 2 relativ gegeneinander aus der Ruhelage heraus verdreht sind. Auf der Ordinate ist die im Federelement wirkende Rückstellkraft, die aus der Verdrehung resul­ tiert, dargestellt.

Nach einem anfänglich stark ansteigenden Verlauf der Kennlinie, der auf die Kompression der Radialstege 6 zurückzuführen ist, folgt ein breiterer, fast horizon­ taler Arbeitsbereich, in dem die Kompression symmetrisch zur Radiuslinie gewissermaßen im instabilen Zustand weitgehend konstant gehalten wird, und zwar im Bereich der jeweils maximalen Kompression der Radialstege. Anschließend an diesen flachen, nahezu horizontal gehaltenen Arbeitsbereich schließt sich dann wie auch bei den beiden anderen gezeigten Ausführungsbeispielen der aufgrund der einsetztenden Zugspannungen und der ständig weiter steigenden Scherspannung der progressive, zuletzt stark progressive Abschlußbereich der Kenn­ linie an.

Aufgrund ihres relativ weiten horizontalen Arbeitsbereichs werden Spannelemente der in Fig. 3 gezeigten Art insbe­ sondere dort eingesetzt, wo Riementriebe oder Ketten­ triebe mit möglichst konstanter Kraft auch dann gespannt werden sollen, wenn der zu spannende Trum unterschied­ lich weit durchhängt.

Claims (4)

1. Spannelement, bestehend aus einer Außenhülse (1) aus Metall und einer zu dieser koaxialen Innenhülse (2) aus Metall, die über einen drehfest einvulkanisierten Elastomerblock (3) miteinander verbunden sind, der mit beidseitig offenen axialen Kanälen (4) durchsetzt ist, deren Mittelachsen insgesamt auf einem gemeinsamen geo­ metrischen Ort liegen, nämlich einer Zylindermantel­ fläche (5), die koaxial zu den Hülsen des Spannelementes ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß von den jeweils zwei axialen Seitenflächen (7, 8), die die zwischen den Kanälen (4) stehenbleibenden Radialste­ ge (6) begrenzen, zumindest jeweils eine zumindest im wesentlichen tangential zum Außenmantel (9) der Innenhülse (2) ausgerichtet ist, und zwar dergestalt, daß sie bei einer bestimmungsgemäß in Spannrichtung (10) er­ folgenden Verdrehung der beiden Hülsenelemente (1, 2) gegeneinander einer stauchenden Druckverformung ausge­ setzt ist und daß zumindest diese Seitenflächen (7, 8) aller Radialstege (6) des Spannelementes insgesamt gleich­ sinnig tangential geneigt sind.

2. Spannelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Seitenwände (7, 8) jedes Radialste­ ges plan ist.

3. Spannelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) zumindest im wesentlichen einen drei­ eckigen Querschnitt aufweisen.

4. Verwendung des Spannelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 3 im Kraftfahrzeugbau, insbesondere als Riemenspanner.