Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein endloses
Kraftübertragungsteil, wie beispielsweise ein Endlosriemen, eine
Endloskette oder dergleichen. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine Federspannvorrichtung, die die Position eines
Schwenkarmes, an dem eine Riemenscheibe drehbar befestigt ist, vorspannt.
Zwar kann die erfindungsgemäße Spannvorrichtung in verschiedenen
Anwendungsbereichen zum Spannen eines endlosen
Kraftübertragungsteils verwendet werden, doch ist sie als Spannvorrichtung
zum Regeln der Spannung eines Zahnriemens, wie er zu
Nockenwellenantriebssystemen von Kraftfahrzeugen gehört, besonders
zweckmäßig.
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Bei einem Nockenwellenantriebssystem für Kraftfahrzeuge ist ein
Zahn- oder Synchronriemen um Riemenscheiben geführt, welche
mindestens zwei Zahnriemenscheiben aufweisen. Eine der
Riemenscheiben ist die Kurbelwellen-Riemenscheibe und die andere eine
oder mehrere Nockenwellen-Riemenscheiben. Eine Leerlaufscheibe,
wie beispielsweise eine Rückseiten-Leerlaufscheibe, kann gegen
die Rückseite des Riemens gedrückt werden, um bei installierten
Riemen die Bandspannung zu bewirken. Viele
Kraftfahrzeugantriebssysteme verwenden eine ortsfeste exzentrische
Leerlaufscheibe, wobei der Exzenterdrehpunkt für die Riemenscheibe in
bezug auf das Lager radial innen liegt, beispielsweise radial
innen in bezug auf den Innenring eines Kugellagers. Zwar bewirkt
eine ortsfeste exzentrische Riemenscheibe aufgrund der
Winkelstellung des Schwenkarms keine Zugspannungsänderungen, weil der
Exzenter fest ist, aber sie bewirkt eine andere Art von
Spannungsproblem. Das Problem bei einer ortsfesten exzentrischen
Riemenscheibe liegt darin, daß eine Veränderung des
Mittenabstands der Riemenantriebsscheiben zwischen einem kalten Motor,
wie er normalerweise während des Anlaufens ist, oder einem durch
Wärme ausgedehnten Motor, wie er bei normalen
Motorbetriebstemperaturen ist, besteht. Daher erhöht die thermische Wirkung die
Bandspannung mit Zunahme der Motortemperatur und verringert
andererseits die Riemenspannung mit dem Absinken der
Motortemperatur. Eine selbsteinstellende Riemenspannvorrichtung kann
derartige
Veränderungen bei der Wärmewirkung zwischen einem warmen
Motor und einem kalten Motor überwinden. Bei selbsteinstellenden
Bandspannvorrichtungen ist zur Verhinderung von schwingenden
Bewegungen des Schwenkarms eine Art von Dämpfungssystem
erforderlich.
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Ein Beispiel für eine selbsteinstellende
Synchronriemenspannvorrichtung mit einem Dämpfungssystem ist in US-A-4 917 655
offenbart. Die Spannvorrichtung ist exzentrisch und weist ein
Dämpfungssystem auf, das mehrere polymere Elemente aufweist, die mit
einem relativ kurzen Momentenarm umfangsmäßig von einer
Ringfeder um den Drehpunkt herum angeordnet sind. Der Betrag der
Dämpfung, die bewirkt werden kann, ist aufgrund des kurzen
Momentenarms im wesentlichen eingeschränkt. Durch das Vorsehen einer
wesentlich starreren Ringfeder kann jedoch die Dämpfung
geringfügig erhöht werden.
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US-A-4 551 120 und US-A-4 696 663 zeigen zwei andere Arten von
Dämpfungssystemen, wobei die Dämpfungseinrichtung an einem
relativ kurzen Momentenarm um die Schwenkachse wirksam ist. Diese
Arten von Dämpfungssystemen bringen ein weiteres Problem auf, da
die Dämpfungskraft von ihrer Torsionsspannfederkonstante abhängt
oder zu dieser proportional ist. Aufgrund dessen können die
Dämpfungs- und Spannkräfte nicht als unabhängige Variable zur
Vereinfachung der Gestaltung der Spannvorrichtung behandelt
werden.
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Eine andere Art von Riemenspannvorrichtung, die eine Teillösung
des oben angeführten Dämpfungssystems bietet, ist in US-A-5 098
347 und US-A-5 045 031 offenbart. Bei diesen Spannvorrichtungen
ist an einer sich nicht bewegenden Basisstruktur eine Blattfeder
angebracht, und der Federschenkel der Blattfeder muß eine
ausreichende Länge haben, um alle nebeneinanderverlaufenden
bogenförmigen Bewegungen einer Dämpfungsfläche des Schwenkarms
aufzunehmen. Ein mit einer langen Schenkellänge zusammenhängendes
Problem besteht darin, daß es schwierig ist, Blattfedern mit den
erforderlichen Federkonstanten reproduzierbar so herzustellen,
daß die Veränderungen in der Federkonstante über die
Schenkellänge
minimal sind. Dies liegt an der Art der Herstellung der
Blattfedern. Sie müssen gebogen und vergütet werden, und die
Vergütung kann zu unkontrollierten Veränderungen der
Federkonstanten führen.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist eine Spannvorrichtung vorgesehen, die in
Verbindung mit Riemenantriebssystemen zweckmäßig ist, und zwar
insbesondere bei einem Zahn- oder Synchronriemenantriebssystem,
wie beispielsweise einem Nockenwellenantrieb eines
Kraftfahrzeuges. Derartige Riementriebe werden häufig als
Synchronriementriebe bezeichnet.
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Die Riemenspannvorrichtung der Erfindung ist vom Schwenktyp,
wobei ein Schwenkarm mit einem Drehzapfen an einer Basisstruktur
schwenkbar befestigt ist und an dem Schwenkarm eine
Riemenscheibe zum Angreifen an einem Riemen drehbar befestigt ist. Zwischen
der Basisstruktur und dem Schwenkarm ist eine Druckfeder derart
positioniert, daß die Bewegung des Schwenkarmes vorgespannt
wird. Erfindungsgemäß weist die Spannvorrichtung ein
Dämpfungssystem auf, das die Bewegungen des Schwenkarins hemmt. Eine einen
Haltestift umgebende Druckfeder wird von dem Schwenkarm derart
getragen, daß sich ein Momentenarm ergibt. Der Stift trägt eine
Reibmaterialunterlage, die von der Druckfeder gegen eine planare
Fläche der Basis vorgespannt ist.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Druckfeder des
Dämpfungssystems eine kostengünstige Einrichtung zum
Gewährleisten des Bereitstellens eines reproduzierbaren
Dämpfungsmechanismus bei Herstellung mehrerer Spannvorrichtungen derselben
Konstruktion bietet.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dämpfungssystem zu
schaffen, daß zur Erzeugung einer Vielzahl von
Spannvorrichtungen mechanisch reproduzierbar ist.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
Dämpfungssystem zu schaffen, bei dem die Dämpfung einfach und unabhängig
in bezug auf die Vorspannung eines Schwenkarmes verändert werden
kann.
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Diese und andere Aufgaben oder Vorteile der Erfindung sind
ersichtlich nach Durchsicht der Zeichnungen und deren
Beschreibung, wobei:
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Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines Antriebssystems,
welches einen Riemen aufweist, der um Riemenscheiben und eine
erfindungsgemäße Spannvorrichtung läuft,
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Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, wobei eine
Seitenansicht der Spannvorrichtung ohne den Riemen gezeigt ist,
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Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von
Fig. 4,
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Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie 4-4 von Fig. 3,
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Fig. 5 eine geschnittene Teilansicht entlang der Linie 5-5 von
Fig. 3, ferner mit einem überlagernden Teilschnitt einer
Riemenscheibe zur Darstellung der relativen Positionierung der
Elemente ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Zwar lassen sich die verschiedenen Merkmale der Spannvorrichtung
und des Riemenantriebssystems am besten in Verbindung mit einem
Zahnriementrieb (Synchronriementrieb) für einen
Kraftfahrzeugmotor beschreiben, Merkmale der Erfindung können jedoch auch in
anderen Bereichen des Riemenspannens, wie beispielsweise bei
Kraftfahrzeugvorder- und -hilfsantrieben, verwendet werden. Fig.
1 zeigt ein Synchronriementriebsystem 10 mit einem Zahnriemen
12, der um Zahnriemenscheiben läuft und gespannt ist. Das
dargestellte Antriebssystem ist ein Kraftfahrzeugnockenwellenantrieb,
der mindestens eine nockenwellenseitige Zahnriemenscheibe 14,
eine kurbelwellenseitige Riemenscheibe 16 und eine
Spannriemenscheibe 18 einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 20 aufweist.
Die Spannvorrichtung kann mittels Befestigungseinrichtungen wie
Kopfschrauben 22, die die Spannvorrichtung an einem (nur
teilweise gezeigten) Motor 24 befestigen, in Position gehalten
werden.
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Wie aus den Fign. 2-5 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße
Riemenspannvorrichtung 20 federgespannt und weist eine
Basisstruktur 26 auf, welche wahlweise Ansätze 28,30 zum Anbringen der
Spannvorrichtung&sub7; einen Schwenkarm 32 und eine zwischen der
Basisstruktur und dem Schwenkarm vorgespannte Feder 34 aufweisen
kann. Der Schwenkarm 32 ist mittels eines Drehzapfens 36 und
eines wahlweise vorgesehenen selbstschmierenden polymeren
buchsenähnlichen Lagers oder einer solchen Hülse 38, das bzw. die
eine Druckkappe oder ein Drucklager 40 aufweisen können,
schwenkbar an der Basisstruktur befestigt.
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Die Riemenscheibe 18 ist drehbar an dem Schwenkarm befestigt,
beispielsweise mittels eines Kugellagers 42. Die Riemenscheibe
weist im wesentlichen eine Konfiguration einer "Topfkuchenform"
auf, die sich an einer axialen Seite als Ringraum 44 öffnet. Die
Basisstruktur weist einen Teil, wie beispielsweise eine Stütze
46, auf, der in den Ringraum hineinragt und eine Einrichtung,
wie beispielsweise einen Vorsprung 48 mit einem Schlitz 50, zur
Aufnahme eines Endes der Feder aufweist, welche einen diametral
ausgerichteten Ansatz aufweist.
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Der Schwenkarm 32 weist einen Hebelarm Lv mit einem Teil 52 auf,
der in den Ringraum 44 hineinragt und eine Einrichtung, wie
beispielsweise einen Vorsprung 54 mit einem Schlitz 56, zur
Aufnahme eines Endbereiches der Feder aufweist.
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Die Feder ist eine Druckfeder, die so bemessen ist, daß sie
mindestens teilweise, und bevorzugter im wesentlichen, in den
Ringraum Paßt. Die Feder ist zwischen der Stütze 46 der
Basisstruktur und dem Teil des Schwenkarms derart angeordnet, daß sie
im wesentlichen relativ zu der Riemenscheibe bogensehnenartig
verläuft und zwischen die Federbefestigungseinrichtungen 48, 54
eingesetzt ist.
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Die Feder ist so an der Basisstruktur und dem Schwenkarm
befestigt, daß sie sich mit den Bewegungen des Schwenkarms 32
gelenkig bewegt, und die Länge des Momentenarms LV variiert mit den
gelenkigen Bewegungen der Feder in einer Weise, wie dies in
U.S.-Patentanmeldung 07/588,245 beschrieben ist. Der Momentenarm
wird kürzer mit einer Verkürzung der Länge der Druckfeder, und
länger mit einer Verlängerung der Druckfeder bei Verschwenkung
des Schwenkarmes.
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Zum Hemmen der Bewegung des Schwenkarmes 32 und somit der
Riemenscheibe entgegen dem Riemen beim Gebrauch der
Spannvorrichtung ist ein Dämpfungssystem bzw. eine Dämpfungseinrichtung 58
vorgesehen. Die Dämpfungseinrichtung 58 weist einen Schenkel
bzw. Hebelfortsatz 60, der einen Dämpfungsteil des Schwenkarmes
32 bildet, eine Dämpfungsfeder 62, einen Teil 64 der
Basisstruktur und zwei Reibmaterialunterlagen 66, 68 auf. Die zweite
Reibmaterialunterlage 68 ist wahlweise vorgesehen.
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Der Schwenkarm 32 und der Basisteil 64 sind segmentförmig
ausgebildet, um die Riemenscheibe freizuhalten, und einander
gegenüberliegend in dem Ringraum 44 verschachtelt. Ein Teil 70 des
Schwenkarmes 32 ragt in den Ringraum 44 hinein und weist
vorzugsweise einen planaren Oberflächenbereich 72 auf. In ähnlicher
Weise weist der Basisteil 64 planare Oberflächenbereiche 74,76
auf, die an ebenen oder planaren Flächen der Unterlage(n) aus
Reibmaterial 66, 68 angreifen.
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Jede Reibmaterialunterlage 66,68 liegt vorzugsweise in Form
einer Unterlegscheibe vor, die zwischen eine planare Fläche des
Teils 70 und das Teil 64 eingeschichtet ist. Eine stiftartige
Befestigungseinrichtung 78, wie beispielsweise ein
Gewindebolzen, erstreckt sich durch eine längliche Öffnung 80 des
Basisteils 64 und ist an dem Schwenkarmteil 70 befestigt. Der Stift
stützt ein Ende der Feder ab und wird von dem Schwenkarm
getragen, wenn dieser sich bogenförmig um den Drehzapfen 36 bewegt.
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Der Stift ragt durch die Unterlage(n) aus Reibmaterial 66,68 und
nimmt die Reibmaterialunterlagen bei seinen bogenförmigen
Bewegungen mit. Die Unterlage(n) aus Reibmaterial sind bevorzugt an
dem Stift angebracht. Beispielsweise kann eine feste Passung,
wie beispielsweise ein leichter Preßsitz, zwischen dem Stift und
der/den Unterlage(n) aus Reibmaterial vorgesehen sein, so daß
alle Bewegungen des Schwenkarms gedämpft werden. Falls zwischen
dem Stift und den Reibmaterialunterlagen ein Zwischenraum
bestünde, könnte sich der Stift und somit der Schwenkarm innerhalb
des Zwischenraums hin- und herbewegen, ohne eine Dämpfung des
Schwenkarmes zu bewirken. Eine leichte Preßpassung zwischen der
/den unterlegscheibenförmigen Unterlage(n) und dem Stift
ermöglicht eine geringfügige Bewegung der unterlegscheibenförmigen
Unterlage(n) in Längsrichtung des Stiftes, und die oder jede
Unterlage ist für seitliche Bewegungen relativ zu dem Stift
eingeschränkt.
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Die oder jede Unterlage 66, 68 aus Reibmaterial kann wahlweise
länglich oder kreisförmig sein, um eine ausreichend große Fläche
zu bieten, damit die Dämpfung durch das Gleiten der Reibfläche
erfolgen kann. Das Reibmaterial kann beliebig gewählt sein, doch
kann es wahlweise in Form eines Polymermaterials wie Nylon oder
dem unter der Handelsbezeichnung DELRIN vertriebenen Material
vorliegen, das eine Anlauf-(statische)Reibung aufweist, welche
geringer ist als seine Gleit-(dynamische)Reibung.
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Der Einfachheit halber ist die Basisstruktur der Fign. 4 und 5
vertikal ausgerichtet dargestellt, so daß erkennbar ist, daß die
Relativpositionierungen der Druckfeder 34, des Lagers 42 und der
Dämpfeinrichtung 58 vorzugsweise in einer im wesentlichen
konstanten Ebene miteinander ausgerichtet sind. Eine derartige
Ausrichtung bringt die Kräfte, die von den Teilen ausgehalten
werden müssen, auf ein Minimum, da sie Beanspruchungen, die durch
Momente aufgrund von Versatz der Bauteile eingebracht werden
könnten, eliminiert.
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Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung
wurde eine Spannvorrichtung mit einer Riemenscheibe mit einem
Durchmesser von 104 mm und einer Axialflächenbreite von 36 mm
konstruiert. Die Spannvorrichtung wies eine axiale Gesamtlänge
von 56 mm auf. Eine Druckfeder mit einem Durchmesser von 19 mm
und einer nominellen komprimierten Länge von 32 mm wurde zum
Vorspannen des Schwenkarmes verwendet und war bogensehnenartig
in den Ringraum der im wesentlichen nach Art einer
Topfkuchenform gestalteten Riemenscheibe eingepaßt. Die Dämpfungsfeder
hatte einen Durchmesser von 14,7 mm und eine komprimierte Länge
von 18,5 mm. Zur Vervollständigung des Dämpfungsmechanismus
lagen zwei Polymer-Unterlegscheiben von 24 mm Durchmesser und
1,25 mm dicht an dem Stift an. Nach Installation in einem
Riemenantriebssystem war die Spannvorrichtung zur Aufrechterhaltung
einer Spannung von 36,29 kg (80 lb.) wirksam.
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Es versteht sich natürlich von selbst, daß die vorliegende
Erfindung oben nur als Beispiel beschrieben wurde und innerhalb
des Rahmens der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert
ist, Detailmodifikationen vorgenommen werden können.