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Die Erfindung betrifft den Bereich von
Kraftübertragungen durch einen flexiblen Riemen, bewirkt durch
mechanischen Kraftschluß zwischen einem elastischen
Riemen und Scheiben, wie sie zum Antrieb von
Kraftfahrzeug-Motorzubehörteilen eingesetzt werden, wo die
Spannkraft durch eine am Ende eines Hebelarms
angeordnete, durch ein elastisches Moment angetriebene
Rolle sichergestellt wird.
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Dieses elastische Moment wird durch eine an starren
Beschlagteilen anhaftende, auf Scherung beanspruchte
plane Sandwichanordnung aus Elastomer gewährleistet,
während die Elastomer-Anordnung mittels eines
Reibwerkstoffs, der die Dämpfung der elastischen
Spannungsschwankungen sicherstellen kann, einer gleichmäßigen
axialen Vorspannung ausgesetzt ist.
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Die durch mechanischen Kraftschluß bewirkten
Kraftübertragungen durch ein flexibles Band, bezeichnet als
Riemen, sind für die Industrie der Verbrennungsmotoren
in Kraftfahrzeugen oder ortsfest für den Antrieb
diverser Zubehörteile unverzichtbar.
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Der Antrieb kann positiv, durch eine geschmierte
Gelenkkette, oder auch durch einen flexiblen
Zahnriemen, einen sogenannten Synchronriemen, erfolgen. In
diesen beiden Fällen wird wie bei den Riemen mit
mechanischem Kraftschluß die Funktion des Nachspannens
bei Abrieb und Wärmedehnung durch eine Vorrichtung
sichergestellt, die Spanner genannt wird und im
allgemeinen durch einen Exzenter oder durch Versetzung
einer der Scheiben wirkt. Trotzdem ist der
Materialhersteller wegen der dynamischen Schwingungen
und der Steifigkeit dieses flexiblen Riemens in
Längsrichtung in den Synchronantrieben gezwungen, die
Achsabstände - nach der Einstellung - zu fixieren, wenn
auch, wie in der Patentanmeldung FR 88 13147 der
Anmelderin dargelegt (EP-A 362451, veröffentlicht am
11. 4. 1990), eine positive Kompensation für die
Dehnungen gesucht wird.
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Im Gegensatz dazu erfordern Kraftübertragungen durch
mechanischen Kraftschluß eine permanente Spannung, die
im allgemeinen, insbesondere in der Technik der
Keilriemen, durch die Elastizität elastischer Beschlagteile
sichergestellt wird.
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In dieser Kategorie wird die Spannvorrichtung ebenso
wie in der oben beschriebenen Gruppe aus verschiedenen
Gründen nach den Voreinstellungen ortsfest gesichert.
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Bei der neueren Generation der flexiblen Riemen, den
sogenannten Mehrstreifenriemen, entsteht der
mechanische Kraftschluß durch zahlreiche schräge Flächen auf
den konischen Flanken der Scheiben.
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Hohe Elastizität des Beschlagteils ist vereinbar mit
verseilten Materialien von hoher Längssteifigkeit wie
Polyester, Glasfiber und Aramid.
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Die Motorbauer suchen nach einer Spannvorrichtung,
welche im Betrieb elastisch bleibt und ganz allgemein
aus einer zusätzlichen, von einem Hebelarm mit
elastischer Spannung getragenen und im folgenden
"Spannrolle" genannten Umkehrrolle besteht.
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Verschiedene Patente über Spannrollen berufen sich auf
Elastomere, um die elastische Spannung sicherzustellen,
beispielsweise das Patent US 4.144.772 von The Toro
Company, in dem eine Vorrichtung mit einem in ein
Quadrat gesteckten Torsionsring beschrieben wird, das
gleichzeitig Spannung und Dämpfung gewährleistet. Im
Patent GB 2.070.727 von Alan Crosley Pritchard wird
eine ähnliche Technik beschrieben, jedoch auf einer
schwenkbaren Platte angebracht, und im Patent
EP 0.157.193 von RIV-SKF wird sie auf eine
Spannvorrichtung mittels Exzenter angewendet. Es sind auch
drehbare Spannvorrichtungen bekannt, beispielsweise die
im Patent CH 318.686 von BAEHNI beschriebene, wo die
drehbare Dämpfvorrichtung von einer zwischen zwei
vorgespannten Gummiauflagen eingeschlossenen Platte
gebildet wird.
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Die Patente US 4.702.727 von Daimler-Benz, US 4.472.162
der Dyneer Corporation und FR 2.509.408 von Litens
Automotive beschreiben die Verwendung von Elastomer zur
mehr oder weniger reibungsbedingten Dämpfung, während
durch eine Metallfeder eine elastische Kraft ausgeübt
wird, was die Herstellung einer mit den dynamischen
Gleichgewichtsverschiebungen wenig veränderlichen
Spannung ermöglicht. Die von der Automobilindustrie
geforderte Zuverlässigkeit von Spannungen verträgt sich
schlecht mit durch Reibung von Elastomeren
sichergestellten Dämpfungen, die mit dem Auftreten von
Verschleiß oder im Gegenteil von "Fettkurven" auf zusehr
von Hin- und Herbewegungen beanspruchten Flächen
schwanken können.
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Aus diesem Grund wurde im Patent US 3.975.965 der Dayco
Corporation und im Patent EP 0.114.779 der Anmelderin
ein an konzentrischen Beschlagteilen anhaftender Ring
verwendet. In den beiden Fällen, die sich dadurch
unterscheiden, wie die Spannung wiederhergestellt wird,
wird bei der Wartung die Spannung mit Hilfe der Drehung
des Innenrings eingestellt.
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Die Technik der radialen Vorspannung durch
Querschnittsverminderung eines Außenrings, Einwalzen
eines Innenrings oder beides, wenn das Gelenk einen
Zwischenbeschlagteil ohne Verformung besitzt, verleiht
Steifigkeit gegen sogenanntes konisches Kippen und
ermöglicht eine höhere Beanspruchung des Elastomers bei
Torsionsermüdung. Dieser sind jedenfalls durch die
Geometrie des elastischen Rings Grenzen gesetzt, der, wenn
er zur Ausübung nennenswerter Spannkräfte verwendet
wird, auf der Rotationsachse des die Spannrolle
tragenden Hebels viel Raum in Längsrichtung erfordert, was
eine in der Praxis kaum verfügbare Dicke der
Vorrichtung erfordern würde.
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Um rasche, durch Verschleiß oder Kriechen verursachte
Schwankungen dieser Spannung mit jenen des Umfangs des
flexiblen Riemens zu vermeiden, ist hohe Flexibilität
notwendig, und im Gegenteil ist es erforderlich, dem
ringförmigen Elastomerring Dicke zu verleihen. Beide
Gründe erhöhen Raumbedarf und Gewicht der
Spannvorrichtung, während die Dämpfung durch die
viskoelastischen Eigenschaften des Elastomermaterials selbst
bei Vorpannung durch die genannten Techniken
eingeschränkt ist.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen besteht im
übrigen darin, daß die Wartung bei konischem Kippen
manchmal die Anbringung mehrerer Rollen erfordert, um
der Verformung der elastischen Ringe Widerstand zu
leisten.
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Aus diesem Grund schlägt die vorliegende Erfindung in
diesem Bereich eine Leistungsverbesserung vor, indem
die Spannung des Hebels mit Hilfe eines durch
Torsionsscherung bedingten elastischen Moments einer planen, an
starren Beschlagteilen anhaftenden, vorzugsweise
kreisförmigen Sandwichanordnung aus Elastomer erzeugt wird.
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Die Dicke ist unbeschränkt, denn sie kann gering
bleiben und trotzdem die erforderliche hohe
Flexibilität bringen, wenn nötig durch die Verwendung planer
zwischenliegender Beschlagteile.
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Ein (oder zwei) zwischenliegende(r) Beschlagteil(e)
stellt/en eine technisch interessante Lösung dar.
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Da die Arbeitsbedingungen bei der wechselweisen
Ermüdung durch permanente Vorspannung in vertikaler
Richtung deutlich verbessert werden, verleiht die durch
die zwischenliegenden Beschlagteile entstehende
"Schieferung" in axialer Richtung eine deutlich höhere
Steifigkeit als in die anderen Richtungen.
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Unter der Einwirkung der Komponente der Reaktion auf
das Drehmoment würde eine gleichmäßige zusätzliche
Translationsscherung im Bereich der Sandwichanordnung
eine nennenswerte exzentrische Verlagerung zwischen den
Beschlagteilen bewirken, da ja die betreffende
Steifigkeit gering ist.
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Wenn ein solches Gleichgewicht auch kein Hindernis
bedeutet, ist es dennoch interessanter, die beiden
äußersten Beschlagteile durch ein mit einem
reibungsarmen Ring ausgestattetes und den elastischen
Spannungsschwankungen widerstehendes Lager drehbar
aufeinander zu lagern. Aufgrund dieses Lagers erfolgt
proportional zur Spannung eine Dämpfung der elastischen
Schwankungen, was absolut vorteilhaft ist.
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Diese Eigenschaft der Proportionalität zur Spannung
unterliegt nämlich denselben Gesetzen wie die
viskoelastische Dämpfung; sie ist jedoch viel zu schwach.
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Der Absolutwert der Dämpfung kann dank der
gleichmäßigen axialen Vorspannungskraft nach Wunsch beliebig
gesteigert werden.
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Der Formfaktor der kreisförmigen planen
Sandwichanordnung ermöglicht beispielsweise einen Druck in der
Größenordnung von zehn bis zwanzig Bar. Dieser Druck,
multipliziert mit dem Reibungskoeffizient eines planen
Rings aus sogenanntem reibungsarmem Material ermöglicht
eine Dämpfung des Drehmoments, das die gleiche
Größenordnung erreicht wie die durch das Elastomer auf seine
Beschlagteile ausgeübte reine permanente Schubspannung.
Die Kombination dieser Kräfte erlaubt eine Dämpfung der
elastischen Druckschwankungen (mit einer proportionalen
Ergänzung, die auf die Reibung auf dem zylindrischen
Zentrierungslager zurückgeht). Es ist demnach
wesentlich einfacher, die kritischen Werte der erforderlichen
viskoelastischen Dämpfung zu erreichen.
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Die in den Lösungen des früheren Stands der Technik
beschriebenen Grenzflächenreibungen zwischen dem
Elastomer und dem Stützmetall bringen nämlich keine
zufriedenstellende Stabilität.
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Die Erfindung besteht somit in einer Spannrolle für
eine durch mechanischen Kraftschluß bewirkte
Kraftübertragung durch einen flexiblen Riemen laut
Definition in Anspruch 1, deren Einleitungselemente aus dem
Dokument EP-A 114779 bekannt sind.
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Der Gegenstand der Erfindung ist ebenso wie ihre
verschiedenen Ausgestaltungsformen besser verständlich aus
der Lektüre der die Zeichnungen begleitenden
Beschreibung:
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- Figur 1 ist eine Vorderansicht eines durch einen
Motor angetriebenen Zubehörteils und zeigt die
relative Anordnung der Spannrolle, des flexiblen
Riemens und der Scheiben.
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- Figur 2 ist ein Axialschnitt im Bereich des
Spannhebels der Rolle und ihres elastischen Lagers.
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Figur 1 ist eine Vorderansicht eines
Zubehörteils -einer Wechselstromlichtmaschine oder Wasserpumpe - ,
der vom Motor eines Autos betrieben wird. Im Hinblick
auf größere Deutlichkeit ist nur die Stützplatte 1
dargestellt, die zum Beispiel aus abgekantetem oder
gezogenem Stahlblech besteht und durch mehrere der
Einstellung dienende Löcher oder längliche Aussparungen
auf dem Zubehörteil befestigt ist.
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Ein Hebel 2, der ebenso aus gezogenem Blech besteht und
an einer nicht sichtbaren planen Sandwichanordnung 3
angelenkt ist, trägt das Lager der Umkehrrolle 4. Die
Aufgabe der Umkehrrolle 4 besteht darin, den flexiblen
Riemen 5 zu spannen und gleichzeitig den
Wicklungswinkel des flexiblen Riemens 5 auf der den drehbaren
Zubehörteil antreibenden geführten Scheibe 10 zu
vergrößern.
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Der Schwenkwinkel A des Hebels 2 bezüglich einer
ortsfesten Achse bildet ein elastisches Rückführdrehmoment,
und zwar in Richtung einer Position, die sich im
Gleichgewicht für die Achse des Hebels 2 in B befände.
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Eine interessante Anordnung für die Montage des
Zubehörteils auf dem Fließband besteht darin, die beim
Hersteller kontrollierte elastische Verformung
anzuwenden und in dieser Position die Drehung mittels einer
Schraube 6 zu blockieren, die die Verschwenkung der
Spannrolle verhindert.
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Die Einstellung durch die länglichen Aussparungen bei
der Montage erfolgt somit darin, den gewünschten Winkel
A zu wählen, ohne sich über die elastisch neutrale
Position Sorgen zu machen, die durch Winkel B, der vom
Hersteller festgelegt bleibt, definiert ist.
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In Figur 2 werden durch einen in Figur 1 als CC'
definierten Axialschnitt die Verschwenkung des Hebels 2
auf der Stützplatte 1 erläutert.
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Die Stützplatte 1 ist in einem Teilausschnitt in dieser
Variante dargestellt, in der die materielle
Ausgestaltung des Zapfenlagers durch den Vorspannungsring 11
sichergestellt wird, der nach dem Zusammenbau durch
Ausdehnung seiner röhrenförmigen Achse am Ende 12
gefalzt wird.
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Eine umgekehrte Anordnung (nicht dargestellt), in der
die Stützplatte 1 die Achse der Zapfen mit dem darauf
gefalzten Vorspannungsring 11 trägt, wäre absolut
realisierbar.
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In der einen oder anderen Variante trägt die Achse
einen zylindrischen, reibungsarmen Ring 7, enthaltend
ein Material mit niedrigem Reibungskoeffizient wie
beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich,
Polytetravinylfluorid, auf dem ohne namhaftes Spiel eine
beispielsweise durch Ziehen des Blechs von Hebel 2
gestützte zylindrische Achse verschwenkbar gelagert ist.
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Der Hebel 2 besitzt ebenso wie die Stützplatte 1 einen
planen Drehbereich, wo in einem ebenen Lager eine plane
elastische Sandwichanordnung 3 ruht. Die plane
elastische Sandwichanordnung 3 übt durch ihre Beschlagteile
13 eine axiale Vorspannungskraft, vorzugsweise eine
Drehkraft, sowie aufgrund des mechanischen
Kraftschlusses der Beschlagteile 13 mit den Gegenflächen der
Stützplatte 1 einerseits und des Hebels 2 andererseits
ein Drehmoment aus, wobei die Beschlagteile 13
identisch oder verschieden sein können.
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Dafür muß der mechanische Kraftschluß in bezug auf eine
einfache Reibung verbessert werden, zum Beispiel durch
Kongruenz von Löchern in den Beschlagteilen 13 und von
Erhebungen oder Vertiefungen in den Gegenflächen oder
von analogen Kannellierungen oder Stulpen oder einer
einfachen geeigneten Rändelung.
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Da die Ermittlung der durch den Winkel B der Figur 1
definierten neutralen Position des elastischen
Rückstellglieds eine gewisse Präzision erfordert, kann eine
Eckanordnung der Vertiefungen und Erhebungen in
verschiedener Anzahl vorgesehen werden, unter ihnen erste.
Die Ermittlung der Position erfolgt demnach durch
Rotation der elastischen planen Sandwichanordnung 3.
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Eine andere Lösung für die Positionsermittlung besteht
darin, nach der Montage die Ränder des Beschlagteils 13
oder des Blechs, aus dem die Teile 1 und 2 bestehen,
mit einer Zange stellenweise zu verformen. Dafür dürfen
sich die Beschlagteile 13 nicht drehen, sondern müssen
eine Einrastung aufweisen. Die axiale Steifigkeit der
elastischen planen Sandwichanordnung 3 kann durch
Einfügung eines (oder mehrerer) Beschlagteils/e mit
zwischenliegendem/n Versteifungsring(en) 14, die im
allgemeinen ebenso wie die Beschlagteile 13 aus
Stahlblech bestehen, vorteilhaft erhöht werden.
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In den allermeisten Fällen ist jeder Beschlagteil mit
zwischenliegendem Versteifungsring 14 als planer
Beschlagteil ausgebildet. Um indes gleichmäßigere
Schubspannungen auszuüben, kann das Beschlagteil mit
zwischenliegendem Versteifungsring 14 leicht
doppelkonisch gefertigt sein, so daß die Dicke der
Elastomermischung vom Inneren der planen Sandwichanordnung 3
nach außen genau proportional zum Radius steigt.
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Die Kraft der axialen Vorspannung wird beim Zusammenbau
über eine plane reibungsarme Scheibe 8, die ein
Material mit niedrigem Reibungskoeffizient wie
beispielsweise, jedoch ohne andere Materialien
auszuschließen, Polytetravinylfluorid enthält, durch den
Vorspannungsring 11 ausgeübt. Der Ring wird dann durch
sein Ende 12 gefalzt.
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Eine Dichtung 9 aus Elastomer mit torischem oder planem
Schnitt schützt die plane reibungsarme Scheibe 8
vorteilhaft vor dem Eindringen von Staub oder anderen
Verschmutzungen, ohne das elastische Rückstellmoment
nennenswert zu beeinträchtigen.
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Infolge der Versteifung der
Gummi-Metall-Sandwichanordnung durch einen (oder mehrere) zwischenliegende/n
Beschlagteil(e) kann die axiale Steifigkeit auf die
plane reibungsarme Scheibe 8 beispielsweise Drücke von
über 12 bis 25 Bar ausüben.
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Das Polytetravinylfluorid, das als nicht
ausschließendes Beispiel für ein reibungsarmes Material angeführt
wurde, ist dafür bekannt, daß es unter diesen
Bedingungen einen Startreibungskoeffizient hat, der nur
geringfügig über dem Anfangsgleitreibungskoeffizient,
beispielsweise bei 0,10 oder 0,11, stets aber unter
0,15 liegt.
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Die Schubspannung, die diese Reibung dem elastischen
Rückstellmoment der Spannrolle entgegensetzen kann,
liegt deshalb in einer Größenordnung zwischen 2 und
2,5 daN/cm² und damit nahe bei jener, die die Scherung
des Elastomers auf den Umfang der planen
Sandwichanordnung 3 ausüben kann.
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Mit der Wahl der mittleren Aktionsradien der
elastischen planen Sandwichanordnung 3 und der planen
reibungsarmen Scheibe 8, die im allgemeinen einen
geringeren äußeren Durchmesser besitzt, kann der
Konstrukteur die Reibung so anpassen, daß die
gewünschte Dämpfung des Spannungsmoments auf einen
kritischen oder niedrigeren Wert erreicht wird.
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Alle von außen angeregten Schwingungen und Belastungen
können lediglich den Beginn des Gleitens hervorrufen,
weshalb es infolge einer unpassenden Zusammenstellung
nicht zu fehlender Spannung des flexiblen Riemens
kommen kann.
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Im Gegensatz zu den Lösungen des früheren Stands der
Technik ist die schwenkbare Position des Hebels 2 (in
der Zeichenebene) durch die Steifigkeit der
vorgespannten Abstützung auf der planen reibungsarmen
Scheibe 8 und nicht durch den Einbau des zylindrischen
reibungsarmen Rings 7 sichergestellt. Das Spiel des
zylindrischen reibungsarmen Rings 7 wirkt sich nur
geringfügig aus, da die Reaktionskraft des
Spannungsmoments ein eventuelles Spiel ständig abstützt.
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Jeder senkrecht auf die Kraftübertragungsebene
wirkenden, von außen angeregten Kraft auf die Rolle wird
somit durch die Steifigkeit der Metallteile Widerstand
geboten.
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Wenn der Hersteller das elastische Rückstellmoment
kontrolliert und die Position des Winkels B bestimmt
hat, den er im Betrieb bezüglich der Ruhestellung
empfiehlt, ermöglicht es eine Sicherungsschraube 6, die
Zapfen bis zur Montage auf dem Motor zu neutralisieren.
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In den Figuren wird dargestellt, daß zu diesem Zweck
von den angebrachten Winkeln, von denen sich einer auf
der Stützplatte 1 und der andere auf dem Hebel 2
befindet, einer ein Gewinde, der andere eine längliche
Aussparung aufweisen kann. Die Klemmfeststellung der
Schraube 6 kann noch in der Wartung verwendet werden,
um vor einer Demontage die empfohlene Spannung zu
erhalten. Die Schraube muß bei der Montage auf dem
Motor entfernt werden, um zu vermeiden, daß unter der
Einwirkung der Schwingungen eine Blockierung entsteht.
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Diese Vorrichtung erweist sich bei temperaturabhängigen
Spannungsschwankungen als günstig: Wenn sich alle
Achsabstände mit der Erwärmung des Gehäuses merkbar
vergrößern, verursacht der Temperaturanstieg eine
Verringerung des Moduls des Elastomers und folglich des
Drehmoments. Diese Wirkung verringert die Gefahren des
übermäßigen Spannungszuwachses bei hoher Temperatur. Im
Gegensatz dazu neigt die Spannung dazu, bei sehr
niedrigen Temperaturen gleichzeitig mit dem Modul
anzuwachsen, wodurch der beim Fehlen einer Spannvorrichtung
übliche Spannungsverlust vermieden wird.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung eine sichere und
ökonomisch zu realisierende Lösung dar, wenn der
Motorbauer eine permanente elastische Spannung auf eine
Kraftübertragung durch einen flexiblen Riemen,
beispielsweise einen Mehrstreifenriemen benötigt. Die
Einstellung einer auf empfohlene Werte voreingestellten
Anordnung wird ermöglicht und automatisierbar, ohne daß
Demontagen für die Instandhaltung untersagt würden.
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Durch die Verbindung der Funktion der elastischen
Spannung mit der dämpfenden Funktion in einer
Spannrolle für eine durch mechanischen Kraftschluß bewirkte
Kraftübertragung durch einen flexiblen Riemen entsteht
eine kompakte Anordnung von hoher Steifigkeit, die den
Schwingungen auf einem Motor standhält.