DE602004000203T2

DE602004000203T2 - Spanneinrichtung

Info

Publication number: DE602004000203T2
Application number: DE602004000203T
Authority: DE
Inventors: Osamu Kita-ku Yoshida; Hiroshi Kita-Ku Hashimoto; Kenichi Kita-ku Nagao
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2004-06-19
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-06-20
Also published as: TWI256986B; US20080207366A1; CN1576647A; EP1491795A1; EP1491795B1; US20040266573A1; JP2005016614A; DE602004000203D1; TW200502500A; JP3649228B2

Description

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Spanner von der Art, die für das Aufbringen einer geeigneten Spannung auf eine Steuerkette in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs verwendet wird. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen, durch die das Festfressen des Plungerkolbens in dem Spannergehäuse vermieden wird.
Getriebe mit Ketten und Kettenrädern werden häufig verwendet, um eine oder mehrere Nockenwellen durch eine Kurbelwelle in einem Kraftfahrzeugmotor anzutreiben. Da sich bei dieser Art von Getriebe die Kette mit der Zeit längt, wird ein Spanner bei diesem Getriebetyp verwendet, um eine geeignete Kraft auf den Leertrum auszuüben, um darin eine geeignete Spannung aufrecht zu erhalten und Schwingungen zu vermeiden. In dem Spanner ragt ein federvorgespannter Plungerkolben aus einem Spannergehäuse, und das vordere Ende des Plungerkolbens drückt typischerweise auf die Rückseite eines schwenkbar aufgehängten Spannhebels, an einer Stelle, die von der Schwenkachse entfernt ist, was verursacht, dass ein Gleitschuh auf der Vorderseite des Hebels in Kontakt mit der Kette gedrückt wird.
Gusseisen mit Lamellengraphit, das als „Grauguss" bekannt ist, der gewöhnlich ausgezeichneten Verschleißwiderstand, ausgezeichnete Schwingungsdämpfung und ausgezeichnete Bearbeitbarkeit aufweist, wird häufig als Material für ein Spannergehäuse verwendet.
Um jedoch Gewicht zu sparen, kann das Spannergehäuse – anstatt aus Grauguss – aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder dergleichen hergestellt werden, vorzugsweise mit einer Harteloxierung, sodass sich eine harte Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid bildet. Eine zweite Elektrolyse kann auch in Tetrathio-Molybdänsäure-Ammonium-Lösung durchgeführt werden, um Molybdändisulfid in winzigen Vertiefungen der Beschichtung niederzuschlagen. Dieser Prozess, der unter der Marke KASHIMA COAT bekannt ist, ist in dem japanischen Patent Nr. 3226030 beschrieben und führt zu verbessertem Widerstand gegen Festfressen des Gehäuses und des Plungerkolbens.
Grauguss ist nicht nur schwer, sondern die Graphitkristalle, die in dem Grauguss enthalten sind, sind lang und dünn. Wenn Kraft auf die Spitzen der Kristalle ausgeübt wird, entstehen leicht Risse, und verursachen eine Verringerung der Festigkeit des Spannergehäuses.
Andererseits erfordert die Beschichtung mit KASHIMA COAT komplizierte Schritte, die zu erhöhten Herstellungskosten führen. Weil es schwierig ist, die Beschichtung in einer spezifizierten Dicke herzustellen, ist darüber hinaus die Beschichtung mit KASHIMA COAT in dem Fall von Spannergehäusen mit engen Toleranz nicht anwendbar. Wenn das Spannergehäuse eine komplizierte Form oder kleine Vertiefungen hat, kann mit dem KASHIMA COAT Verfahren keine gleichmäßige Oberflächenbehandlung durchgeführt werden.
Viele Spanner, die in Steuertrieben verwendet werden, sind Spanner vom Typ mit Sperrzähnen, in denen eine Sperrklinke, die schwenkbar auf dem Spannergehäuse gelagert ist, das Einfahren des Plungerkolbens blockiert, indem Sperrzähne auf einer Seite des Plungerkolbens einrasten. Wenn infolge einer erhöhten Spannung in der Kette der Plungerkolben eines Spanners vom Typ mit Sperrzähnen in das Gehäuse gedrückt wird, wird auf die Gleitflächen des Plungerkolbens und der Plungerkolben-Aufnahmeöffnung in dem Spannergehäuse auf der Seite des Plungerkolbens gegenüber der Seite, auf der die Sperrzähne angeordnet sind, eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft wird in eine Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Plungerkolbens ausgeübt und erhöht den Reibungswiderstand des Plungerkolbens entgegen der Bewegung in Richtung des Herausfahrens und Einfahrens. Wegen des erhöhten Widerstands gegen die Bewegung erhöht die Schwingung des Plungerkolbens, die während des Betriebs des Motors auftritt, die Temperaturen des Spannergehäuses und des Plungerkolbens und kann das Festfressen des Plungerkolbens und das daraus resultierende Versagen des Spanners verursachen.
Intensive Studien des oben beschriebenen Phänomens des Festfressens einschließlich der Analyse der festgefressenen Oberflächen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Details offengelegt, betreffend die Beziehungen zwischen der kohäsiven Adhäsionskraft zwischen dem Gehäuse und dem Plungerkolben und der Schubkraft, die erforderlich ist, um die kohäsive Adhäsion des Plungerkolbens durch Scherung zu überwinden.
Gegenstand der Erfindung ist, einen verbesserten Spanner zu schaffen, der verringertes Gewicht und verbesserte Festigkeit aufweist; die Herstellungskosten des Spanners zu verringern; das Festfressen in einem Spanner mit komplizierter Form und engen Toleranzen der Abmessungen zu verhindern; und einen Spanner vom Typ mit Sperrzähnen zu schaffen, der einen hohen Widerstand gegenüber Festfressen aufweist und eine lange Nutzdauer hat.
Der erfindungsgemäße Spanner weist ein Spannergehäuse mit einer Plungerkolben-Aufnahmeöffnung und einen Plungerkolben auf, der verschiebbar in die Plungerkolben-Aufnahmeöffnung eingepasst ist. Der Plungerkolben hat ein vorderes Ende, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und ist in eine Richtung vorgespannt, sodass er aus dem Gehäuse hervorsteht. Das Gehäuse ist aus einer hypereutektischen Legierung aus der Aluminium-Silizium(Al-Si)-Reihe geformt, die Si im Bereich von 14 bis 16 Gew.-% enthält, und die einen Partikeldurchmesser von proeutektischem Si im Bereich von 20 bis 30 μm hat.
Das oben beschriebene Gehäusematerial ist besonders vorteilhaft in einem Spanner in welchem eine Plungerfeder den Plungerkolben in Ausfahrrichtung vorspannt, wobei der Plungerkolben auf einer Seite Sperrzähne hat und der Spanner eine Sperrklinke aufweist, die schwenkbar am Spannergehäuse gelagert ist, wobei die Sperrklinke in Eingriff mit mindestens einem der Sperrzähne ist und dadurch das Einfahren des Plungerkolbens blockiert.
Da in dem wie oben beschrieben konstruierten Spanner das Spannergehäuse aus einer hypereutektischen Legierung aus der Al-Si-Reihe geformt ist, ist der Spanner leicht und benötigt keinen Wärmebehandlungsschritt bei seiner Herstellung. Da darüber hinaus Si, welches einen hohen Schmelzpunkt und große Härte aufweist, in der hypereutektischen Legierung aus der Al-Si-Reihe uniform und in feinster Form vorhanden ist, wird die kohäsive Adhäsionskraft zwischen dem Spannergehäuse und der Plungerkolben soweit verringert, dass sie niedriger ist als die Schubkraft des Plungerkolbens, sodass das Festfressen zwischen dem Plungerkolben und dem Gehäuse verhindert wird. Der Grund dafür, warum das Festfressen verhindert wird, ist wie folgt.
Selbst wenn die Oberflächen des Spanners und des Plungerkolbens glatt sind, sind, unter dem Mikroskop betrachtet, stets rauhe Stellen vorhanden. Infolgedessen gibt es dort, wo das Spannerghäuse und der Plungerkolben einander berühren, als „faktische Berührungspunkte" bekannte Stellen, an denen konvexe Bereiche der jeweiligen Oberflächen einander berühren. Wenn der Plungerkolben in Schwingung versetzt wird, gleiten die Kontaktflächen und die Temperatur der Oberflächen steigt an. Infolgedessen werden die konvexen Bereiche der „faktischen Berührungspunkte" verformt. Nicht nur wird der Kontaktbereich vergrößert, sondern andere konvexe Bereiche kommen miteinander in Berührung, sodass die Zahl der „faktischen Berührungspunkte" zunimmt.
Wenn die kohäsive Adhäsionskraft der Spannerkomponenten, das heißt des Gehäuses und des Plungerkolbens, größer ist als die Schubkraft des Plungerkolbens, kommt es zur Adhäsion des Plungerkolbens durch Festfressen. In einem Gehäuse, in welchem feinstes Si mit hohem Härtegrad uniform verteilt ist, kann dagegen die kohäsive Adhäsionskraft durch Erhöhung des Si-Kontakts an den „faktischen Berührungspunkten" soweit verringert werden, dass sie niedriger ist als die Schubkraft des Plungerkolbens. Der erhöhte Si-Kontakt an den faktischen Berührungspunkten reduziert den Verschleiß und verhindert das durch Adhäsion verursachte Festfressen des Plungerkolbens.
Die Erfindung wird nunmehr im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben, bei denen:
1 eine Querschnittsansicht eines Steuertriebs ist, bei dem ein Spanner vom Typ mit Sperrzähnen benutzt wird,
2 eine Querschnitts-Detailansicht des Vorderbereichs des Spanners in 1 ist,
3 eine Grafik zur Veranschaulichung der Beziehungen zwischen den Durchmessern der Silikonpartikel und dem Widerstand gegen Festfressen ist, und
4 eine Grafik zur Veranschaulichung der Ergebnisse von Festfress-Tests ist, die an erfindungsgemäßen Spannern und an herkömmlichen Spannern durchgeführt wurden.
Wie in 1 gezeigt, ist ein an einem Motor (nicht dargestellt) angebrachter Spanner 1 so angeordnet, dass er Spannung auf den Leertrum einer Steuerkette 6 aufbringt, die um ein antreibendes Kettenrad 3 auf der Kurbelwelle eines Motors 2 und ein angetriebenes Kettenrad 5 auf einer Nockenwelle 4 läuft.
Ein einfahr- und ausfahrbarer Plungerkolben 8 steht von der Vorderseite eines Spannergehäuses 7 ab, und die Endfläche 8A (2) des Plungerkolbens kontaktiert den Rückteil eines Spannerhebels 10 an, an einer Stelle, die von der Schwenkachse 9 entfernt ist, auf welcher der Hebel schwenkbar am Motor gelagert ist. Der Spanner bringt einen Gleitschuh 11 auf der Gegenseite des Hebels 10 in Anlage gegen den Leertrum der Kette 6 und erlaubt so der Kette, über den Gleitschuh zu gleiten, während er eine geeignete Spannung auf die Kette ausübt.
Der Plungerkolben passt in eine Plungerkolben-Aufnahmeöffnung 12 in Spannergehäuse. Ein Hohlraum 13 des Plungerkolbens öffnet sich in Richtung des Bodens der Plungerkolben-Aufnahmeöffnung 12, und eine Feder 14 ist in zusammengepresster Form zwischen der geschlossenen Endfläche des Hohlraums 13 und dem Boden der Plungerkolben-Aufnahmeöffnung 12 angeordnet. Die Feder 14 spannt den Plungerkolben 8 in Richtung des Hervorstehens vor, so dass die Spitze des Plungerkolbens vom Spannergehäuse 7 hervorsteht. Dieses Spannergehäuse 7 ist aus einer hypereutektischen Legierung aus der Al-Si-Reihe geformt, die Si im Bereich von 14 bis 16 Gew.-% enthält, wobei der Partikeldurchmesser des proeutektischen Si im Bereich von 20 bis 30 μm liegt.
Eine Sperrklinke 16 ist schwenkbar auf einer Achse 15 gelagert, die aus dem Spannergehäuse hervorsteht und deren Zähne 17 und 18, wie in 2 gezeigt, in die Sperrzähne T eingreifen, die an einer Seite des Plungerkolbens 8 geformt sind.
Eine Feder 19 drückt die Sperrklinke 16 in eine Richtung, so dass sie sich um die Achse 15 dreht, bis sie in Eingriff mit den Sperrzähnen T am Plungerkolben 8 gelangt. Der Eingriff zwischen den Sperrzähnen 17 und 18 und den Sperrzähnen T blockiert die Einfahrbewegung des Plungerkolbens 8.
An einem wie in 2 gezeigten Spanner vom Typ mit Sperrzähnen wurden unter den folgenden Versuchsbedingungen Festfresstests durchgeführt. In den durch den Hohlraum 13 des Plungerkolbens 8 und die Plungerkolben-Aufnahmeöffnung 12 definierten Raum wurde Öl mit einer Öltemperatur von 80°C und einem Öldruck von 0,30 MPa eingefüllt. Unter Einsatz eines Rütteltestgeräts wurde die Endfläche 8A des Plungerkolbens bei einer Frequenz von 200/sec während 50 000 Sekunden (ca. 14 Stunden) um jeweils eine Distanz von ±0,1 mm verschoben. Das heißt, der Plungerkolben wurde 1,0 × 10⁷-mal im Rütteltestgerät bewegt. Danach wurde die Beschaffenheit der Seitenwand des Plungerkolbens untersucht, der eine laterale Kraft SF (2) auf die Wand des Plungerkolbens ausgeübt hatte, und es wurde auf das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit von Festfressen geprüft.
Die zuvor genannten Tests wurden an Spannern durchgeführt, deren Gehäuse aus einer hypereutektischer Legierung aus der Al-Si-Reihe mit einem Si-Gehalt von 15 Gew.-% geformt waren. Ein Spanner mit einem Gehäuse, in dem der Partikeldurchmesser des proeutektischen Si 5 μm oder weniger betrug, wurde als „Referenzprodukt 1" bezeichnet. Ein Spanner mit einem Gehäuse, in dem der Partikeldurchmesser des proeutektischen Si im Bereich zwischen 20 und 30 μm lag, ist das erfindungsgemäße Produkt. Ein Spanner mit einem Gehäuse, in dem der Partikeldurchmesser des proeutektischen Si im Bereich zwischen 60 und 70 μm lag, wurde als „Referenzprodukt 2" bezeichnet.
In den Tests wurden vorbestimmte Nocken-Auflagelasten aufgebracht, welche die Sperrklinke in Eingriff mit den Sperrzähnen am Plungerkolben vorspannten. Die Nocken-Auflagelasten wurden aufgebracht, ohne dass Öldruck auf den Plungerkolben ausgeübt wurde. Eine erste vorbestimmte Nocken-Auflagelast wurde auf den Plungerkolben über die Sperrklinke 16 aufgebracht, und der Plungerkolben wurde 1,0 × 10⁷-mal gerüttelt. Wenn bei einer ersten vorbestimmten Nocken-Auflagelast nach 1,0 × 10⁷ Rüttelbewegungen kein Festfressen festzustellen war, wurde die Nocken-Auflagelast schrittweise erhöht und dieselben Rüttelschritte wurden wiederholt durchgeführt. 3 zeigt für jeden der drei Spanner den relativen Grad der Nocken-Auflagelast, bei welcher der Spanner normal funktionieren konnte, ohne dass Festfressen auftritt. Produkt 1 wurde als Referenz benutzt, seine Nocken-Auflagelast, bei der es zum Festfressen kam, wurde als 1 festgelegt. Wie aus 3 hervorgeht, wiesen Referenzprodukt 1 und Referenzprodukt 2 dasselbe Leistungsniveau auf. Das erfindungsgemäße Produkt dagegen, das heißt ein Spanner, in welchem das Spannergehäuse aus einer hypereutektischen Legierung aus der Al-Si-Reihe mit einem Si-Gehalt von 15 Gew.-% mit einem Partikeldurchmesser des proeutektischen Si im Bereich von 20 bis 30 μm gebildet war, funktionierte normal und rief kein Festfressen hervor, bis die Nocken-Auflagelast das 1,3-fache der Nocken-Auflagelast erreichte, die in den Referenzprodukten zum Festfressen geführt hatte.
Der Partikeldurchmesser von proeutektischem Si kann durch Steuerung der Herstellungsbedingungen während des Gusses der Legierung gesteuert werden, einschließlich Schmelzpunkt, Gießtemperatur usw. Der Partikeldurchmesser von proeutektischem Si kann überdies durch die Zugabe von sehr geringen Mengen von Cr, Ti, Mg und Fe gesteuert werden. Insbesondere verbessert Cr die Dispersion von proeutektischem Si.
Ergebnisse der zuvor beschriebenen Tests, die an herkömmlichen Spannern durchgeführt wurden, sind in 4 zusammen mit den Ergebnissen von Tests an einem erfindungsgemäßen Spanner dargestellt. Die Testbedingungen und -verfahren waren dieselben wie die oben beschriebenen. Ein herkömmliches Produkt 1 war ein Spanner, dessen Gehäuse aus einer üblichen eutektischen Al-Si-Legierung (ADC 12) geformt und dem KASHIMA-COAT Verfahren unterzogen worden war. Das herkömmliche Produkt 2 war ein Spanner, in welchem das Gehäuse aus Grauguss (FC 200) geformt war. Das herkömmliche Produkt 3 war ein Spanner, in welchem das Gehäuse aus der üblichen eutektischen Al-Si-Legierung geformt war. Wie in 3 zeigt die Grafik in 4 die maximale relative Nocken-Auflagelast, bei welcher ein normaler Betrieb erfolgen kann, ohne dass Festfressen auftritt. Das Niveau, bei dem es zum Festfressen kam, wurde mit Hilfe des herkömmlichen Produkts 3 als Referenz festgestellt. Wie aus den in 4 dargestellten Ergebnissen hervorgeht, wies das erfindungsgemäße Produkt, ohne dass es einer speziellen Oberflächenbehandlung unterzogen wurde, gegenüber den aus herkömmlichen Materialien geformten Spannern erhöhten Widerstand gegen Festfressen auf, d.h. gegenüber den herkömmlichen Produkten 2 und 3, und wies denselben Widerstand gegen Festfressen auf wie das herkömmliche Produkt 1, bei welchem eine eutektische Al-Si-Legierung (ADC 12) dem KASHIMA COAT Verfahren unterzogen wurde.
Da in dem wie zuvor beschriebenen Spanner das Spannergehäuse aus einer hypereutektischen Legierung aus der Al-Si-Reihe mit Si im Bereich von 14 bis 16 Gew.-% und einem Partikeldurchmesser von proeutektischem Si im Bereich zwischen 20 und 30 μm geformt ist, ist sein Gewicht deutlich geringer als das eines herkömmlichen Spanners. Darüber hinaus kann er ohne einen Wärmebehandlungsschritt hergestellt werden. Folglich trägt der erfindungsgemäße Spanner zu einer Erhöhung der Kraftstoffeffizienz eines Kraftfahrzeugs sowie der Kostenreduzierung bei.
Da Si mit seinem hohen Schmelzpunkt und seiner hohen Härte in hypereutektischen Al-Si-Legierungen uniform und in feinster Form vorhanden ist, wird das Festfressen zwischen Spannergehäuse und Plungerkolben unterdrückt.
Der durch die Erfindung verwirklichte verbesserte Verschleißwiderstand und die erhöhte Belastbarkeit sind besonders vorteilhaft bei einem Spanner vom Typ mit Sperrzähnen, bei welchem der Sperrzahn eine Kraft ausübt, die den Spanner seitlich vorspannt. Darüber hinaus sind, da der erfindungsgemäße Spanner keine Oberflächenbehandlung benötigt, die Vereinfachung der Herstellung und die Verringerung der Herstellungskosten besonders ausschlaggebend in einem Spanner vom Typ mit Sperrzähnen, dessen Herstellung typischerweise relativ kompliziert ist.

1: Spanner
2: Kurbelwelle
3: Antreibendes Kettenrad
4: Nockenwelle
5: Angetriebenes Kettenrad
6: Steuerkette
7: Gehäuse
8: Plungerkolben
8A: Endfläche
9: Schwenkachse
10: Hebel
11: Gleitschuh
12: Plungerkolben-Aufnahmeöffnung
13: Hohlraum
14: Feder
15: Achse
16: Sperrklinke
17,18: Zähne
19: Feder
SF: Seitenkraft
T: Sperrzähne

Claims

Spanner aufweisend ein Spannergehäuse mit einer Plungerkolben-Aufnahmeöffnung und einem Plungerkolben, der verschiebbar in die besagte Plungerkolben-Aufnahmeöffnung eingepasst ist, wobei der Plungerkolben ein vorderes Ende aufweist, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, und in eine Richtung vorgespannt ist, um über das Gehäuse vorzustehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einer hyper-eutektischen Legierung der Al-Si-Reihe geformt ist, die Si in einem Bereich von 14 bis 16 Gew.-% enthält, und einen Partikeldurchmesser von proeutektischem Si in dem Bereich von 20 bis 30 μm hat.
Spanner nach Anspruch 1, aufweisend eine Plungerkolbenfeder, die besagten Plungerkolben in Ausfahrrichtung vorspannt, wobei der Plungerkolben Sperrzähne hat, die auf einer Seite desselben ausgebildet sind, und eine Sperrklinke umfasst, die verschwenkbar am Spannergehäuse gelagert ist, wobei die Sperrklinke in Eingriff mit mindestens einem der Sperrzähne ist und dadurch das Einfahren des Plungerkolbens blockiert.
Spanner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hyper-eutektische Legierung der Al-Si-Reihe sehr geringe Mengen an Cr, Ti, Mg und/oder Fe enthält.