DE102012210579A1

DE102012210579A1 - Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102012210579A1
Application number: DE201210210579
Authority: DE
Inventors: Takao Ichimura
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Spannvorrichtung (1, 1’) für einen Zugmitteltrieb, umfassend ein Basisteil (3, 3’), einen relativ dazu schwenkbar gelagerten Spannarm (4, 4’) mit einem das Zugmittel (2) vorspannenden Rad (5), eine die Zugmittelvorspannung erzeugende Feder (6) und einen die Schwenkbewegung des Spannarms dämpfenden Reibkontakt, wobei die Federkraft und die Reibkontaktkraft den Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung beaufschlagen, wenn der Spannarm entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt. Dabei soll die Spannvorrichtung weiterhin einen Freilauf (8) umfassen, der mit dem Reibkontakt derart gekoppelt ist, dass die Reibkontaktkraft den Freilauf sperrt, wenn der Spannarm entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, und dass die Reibkontaktkraft den Freilauf öffnet, wenn der Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, wobei die Reibkontaktpartner im wesentlichen ohne Relativbewegung sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für einen Zugmitteltrieb. Die Spannvorrichtung umfasst ein Basisteil, einen relativ zum Basisteil schwenkbar gelagerten Spannarm mit einem das Zugmittel vorspannenden Rad, eine die Zugmittelvorspannung erzeugende Feder und einen die Schwenkbewegung des Spannarms dämpfenden Reibkontakt, wobei die Federkraft und die Reibkontaktkraft den Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung beaufschlagen, wenn der Spannarm entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt.
Hintergrund der Erfindung
Bei derartigen Spannvorrichtungen handelt es sich typischerweise um Riemenspanner eines Nebenaggregate-Riementriebs einer Brennkraftmaschine. Die betrieblichen Drehschwingungen des Spannarms werden mittels Coulombscher Reibung im mechanischen Reibkontakt gedämpft, und zwar zumeist mittels eines Reibsegments oder -rings oder der Gleitlagerstelle des Spannarms. Die dabei erzeugte Reibkontaktkraft soll im Hinblick auf die ausreichend hohe Schwingungsdämpfung möglichst groß sein. Da jedoch die Größe der Reibkontaktkraft üblicherweise bidirektional, d.h. bezüglich der Schwenkbewegung des Spannarms symmetrisch ist, bewirkt eine große Reibkontaktkraft auch, dass die minimal verbleibende Spannarmkraft und folglich die minimal verbleibende Zugmittelvorspannung klein wird. Denn die Reibkontaktkraft ist der die Zugmittelvorspannung erzeugenden Federkraft entgegengerichtet, wenn der Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt und sich zudem die Feder dabei entspannt. Bei dieser symmetrischen Hysterese müssen die Federkraft und die Reibkontaktkraft stets so aufeinander abgestimmt sein, dass bei möglichst hoher Dämpfung einerseits die für einen rutschfreien Betrieb des Riemens erforderliche Minimalvorspannkraft andererseits nicht unterschritten wird.
Diese Betrachtung gilt prinzipiell auch für Spannvorrichtungen von Kettentrieben, bei denen eine unzureichend große Kettenvorspannkraft zu Geräuschen oder zum Überspringen der Kette führen kann.
Aus der US 6,609,988 B1 ist ein Riemenspanner mit asymmetrischer Hysterese der Feder- und Reibkontaktkräfte bekannt. Der Reibring des Riemenspanners ist kinematisch so konstruiert, dass die Reibkontaktkraft deutlich größer ist, wenn der Spannarm entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung, d.h. einen Riemenspanner oder einen Kettenspanner der eingangs genannten Art mit einer vorteilhaft asymmetrischen Kennlinie der Feder- und Reibkontaktkräfte am Spannarm anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den abhängigen Ansprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Spannvorrichtung weiterhin einen Freilauf umfassen, der mit dem Reibkontakt derart gekoppelt ist, dass die Reibkontaktkraft den Freilauf sperrt, wenn der Spannarm entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, und dass die Reibkontaktkraft den Freilauf öffnet, wenn der Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, wobei dann die Reibkontaktpartner im wesentlichen ohne Relativbewegung sind.
Anders ausgedrückt: wenn der Spannarm in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, ist die Reibung im Freilauf viel kleiner als im Reibkontakt. Dies bewirkt, dass die Reibkontaktpartner bei geöffnetem Freilauf im Bereich der Haftreibung (ohne Relativbewegung) verbleiben und die sich entspannende Feder den Spannarm bei geöffnetem Freilauf reibungsarm und idealerweise reibungsfrei, d.h. im wesentlichen ohne reibungsbedingte Gegenkraft in Zugmittelvorspannrichtung schwenken kann.
Bei einer dazu entgegen gerichteten Schwenkbewegung des Spannarms, d.h. entgegen der Zugmittelvorspannrichtung, ist die Reibung im dann gesperrten Freilauf viel größer als im Reibkontakt. Folglich werden die Reibkontaktpartner in den Bereich der Gleitreibung (mit Relativbewegung) gezwungen, so dass sich die Kraft der spannenden Feder und die für die Schwingungsdämpfung erforderliche Reibkontaktkraft mit derselben Orientierung in Zugmittelvorspannrichtung addieren.
Da umgekehrt die Kraftwirkung der sich entspannenden Feder nicht durch entgegen gerichtete Kräfte im Reibkontakt reduziert wird, kann zum einen bei sich spannender Feder die Reibkontaktkraft erhöht werden, und zwar ohne das Risiko, dass bei sich entspannender Feder die erforderliche Minimalvorspannkraft unterschritten wird. Zum anderen kann die Kennlinie der Feder auf ein niedrigeres Kraftniveau abgesenkt werden, und zwar in dem idealen Grenzfall der unidirektional reibungsfreien Schwenkbewegung des Spannarms in Zugmittelvorspannrichtung auf das Niveau der Minimalvorspannkraft. Während die erhöhte Reibkontaktkraft mit einer verbesserten Schwingungsdämpfung des entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkenden Spannarms einhergeht, bewirkt die abgesenkte Federkraft verringerte Antriebsverluste im Zugmitteltrieb infolge der verkleinerten Zugmittelvorspannung.
Der Freilauf soll vorzugsweise ein Hülsenfreilauf mit oder ohne Wälzlagerung sein. Hülsenfreiläufe sind bekanntlich radialen Bauraum sparende Einwegkupplungen, bestehend aus dünnwandigen, spanlos geformten Außenringen mit Klemmrampen, Kunststoffkäfigen, Andruckfedern und Nadelrollen. Hülsenfreiläufe sind sehr schaltgenau, da durch die Einzelanfederung der Nadelrollen der ständige Kontakt zwischen der Welle oder dem Achsbolzen, den Nadelrollen und den Klemmrampen gesichert ist. Sie ermöglichen eine hohe Schaltfrequenz durch ihre geringe Masse und das dementsprechend niedrige Trägheitsmoment der Klemmelemente. Das Leerlauf-Reibmoment ist gering.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Spannvorrichtungen dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Riemenspanners;
2 das typische Kraft-Weg-Diagramm eines bekannten Riemenspanners in schematischer Darstellung;
3 das Kraft-Weg-Diagramm des erfindungsgemäßen Riemenspanners in schematischer Darstellung;
4 eine erste konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Riemenspanners im Längsschnitt;
4 eine zweite konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Riemenspanners im Längsschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, hier eines Riemenspanners 1 zum Vorspannen des Riemens 2 eines Riementriebs. Der Riemenspanner 1 umfasst ein Basisteil 3 und einen darauf schwenkbar gelagerten Spannarm 4 mit einem den Riemen 2 vorspannenden Riemenrad 5. Die Zugmittelvorspannung wird mittels einer Feder 6 erzeugt, die den Spannarm 4 beaufschlagt. Um betriebliche Schwingungen in der Schwenkbewegung des Spannarms 4 zu dämpfen, umfasst der Riemenspanner 1 einen Reibkontakt, der hier durch einen Reibring 7 zwischen dem Spannarm 4 und dem Basisteil 3 gebildet ist. Ein ebenfalls zwischen dem Spannarm 4 und dem Basisteil 3 angeordneter Freilauf 8 ist mit dem Reibring 7 gekoppelt. Gemäß der symbolhaften Darstellung ist der Freilauf 8 gesperrt, wenn der Spannarm 4 relativ zum Basisteil 3 entgegen der Zugmittelvorspannrichtung, d.h. in Richtung α schwenkt. Der Freilauf 8 ist geöffnet, wenn der Spannarm 4 relativ zum Basisteil 3 in Zugmittelvorspannrichtung, d.h. entgegen der Richtung α schwenkt.
Da die Reibkraft zwischen den Kontaktpartnern Reibring 7 – Spannarm 4 und den Kontaktpartnern Reibring 7 – Freilauf 8 viel größer ist als die Innenreibung des Freilaufs 8, sperrt die Reibkontaktkraft den Freilauf 8, wenn der Spannarm 4 entgegen der Zugmittelvorspannrichtung in Richtung α schwenkt. Umgekehrt öffnet die Reibkontaktkraft den Freilauf 8, wenn der Spannarm 4 in Zugmittelvorspannrichtung entgegen der Richtung α schwenkt.
Das zugehörige Kraft-Weg-Diagramm des Riemenspanners 1 ist schematisch in 3 dargestellt. Die durchgezogene Hysteresekurve zeigt den Kraftverlauf F des Spannarms 4 während einer hin- und hergehenden Schwenkbewegung α gemäß der auf der Kurve eingezeichneten Pfeilrichtung. Mit Fmin ist die kleinste Kraft F der Kurve bezeichnet, die zur Vermeidung von unzulässigem Riemenschlupf stets über der Minimalvorspannkraft liegen soll. Der Kraftverlauf F resultiert aus der gestrichelt dargestellten Kennlinie der Feder 6 und der Reibkontaktkraft am Reibring 7. Da der Freilauf 8 während der Schwenkbewegung des Spannarms 4 in Zugmittelvorspannrichtung, d.h. in Richtung kleiner werdendem α geöffnet ist und mangels Relativbewegung der Reibkontaktpartner keine Reibung im dann aufeinander haftenden Reibkontakt erzeugt wird, liegt dort die resultierende Spannarmkraft F nicht oder infolge der anderweitigen Lagerreibung nur unwesentlich unter der Federkennlinie 6. Bei der dazu entgegen gerichteten Schwenkbewegung in Richtung größer werdendem α ist der Freilauf 8 gesperrt, so dass sich die Reibkontaktkraft der dann aufeinander gleitenden Reibkontaktpartner und die in dieselbe Richtung wirkende Federkraft 6 zu einer resultierenden Spannarmkraft F addieren, die zum besseren Verständnis der Erfindung genauso groß ist, wie bei dem bekannten Kraftverlauf F gemäß 2. Dieser weist jedoch eine zur Federkennlinie 6 symmetrische Reibkontaktkraft auf, so dass zum einen die Federkennlinie 6 auf einem hinsichtlich der Antriebsverluste des Riementriebs ungünstigeren höheren Niveau liegt und zum anderen die Reibkontaktkraft selbst auf einem hinsichtlich der Schwingungsdämpfung ungünstigeren niedrigeren Niveau liegt.
4 zeigt eine erste konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Riemenspanners 1 für einen Nebenaggregate-Riementrieb einer Brennkraftmaschine. Der Riemenspanner 1 umfasst:

– das Basisteil 3, das hier mit Schraubenbohrungen 9 zur Flanschbefestigung ausgeführt ist;
– den relativ zum Basisteil 3 schwenkbar gelagerten Spannarm 4 mit wälzgelagertem Riemenrad 5;
– die Feder 6, die sowohl als Schraubendrehfeder als auch als Schraubendruckfeder ausgebildet und zwischen dem Basisteil 3 und dem Spannarm 4 eingespannt ist;
– und den hier als Hülsenfreilauf mit beidseitiger Nadellagerung ausgebildeten Freilauf 8, der gemäß 1 bei sich entspannender Schraubenfeder 6 geöffnet ist.

Das Schwenklager des Spannarms 4 und die Reibkontaktpartner sind durch Lager- und Dämpfungskegel gebildet, die mittels einer ebenfalls kegelförmigen Gleitlagerbuchse 10 ineinander gelagert sind. Die Lager- und Dämpfungskegel umfassen ein Zwischenteil 11 mit einer Bohrung 12, in der der Freilauf 8 befestigt ist, und mit einer kegelförmigen Außenmantelfläche 13 für die Gleitlagerbuchse 10. Diese ist in einer dazu komplementär kegelförmigen Innenmantelfläche 14 des Basisteils 3 gelagert. Der Spannarm 4 ist mit einem den Freilauf 8 lagernden Achsbolzen 15 versehen, der mittels eines Lagerstützrings 16 und eines Axialkugellagers 17 gegen das Zwischenteil 11 anläuft. Das Axiallager 17 ist als Wälzlager ausgeführt, damit die Reibkontaktkraft an der Gleitlagerbuchse 10 stets größer als die Reibung im Axiallager 17 ist. Nicht dargestellte Alternativen zum Axialkugellager 17 sind ein Axialnadellager oder ein reibungsarmes Gleitlager.
Die umfängliche Kraftkomponente der Schraubendrehfeder 6 schwenkt den Spannarm 4 in Zugmittelvorspannrichtung, während die axiale Kraftkomponente der Schraubendruckfeder 6 via Spannarm 4, Achsbolzen 15, Lagerstützring 16 und Axiallager 17 die Reibkontaktpartner der Lager- und Dämpfungskegel, d.h. das Zwischenteil 11, die Gleitlagerbuchse 10 und das Basisteil 3 unter Erzeugung der Reibkontaktkraft aneinander drückt.
Die zweite konstruktive Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Riemenspanners 1’ gemäß 5 unterscheidet sich von dem Riemenspanner 1 in 4 durch die relative Anordnung von Basisteil 3’ und Spannarm 4’. In diesem Fall ist die kegelförmige Außenmantelfläche 13 des Zwischenteils 11 (wiederum mittels der Gleitlagerbuchse 10) in einer kegelförmigen Innenmantelfläche 14 des Spannarms 4’ gelagert. Der den Freilauf 8 lagernde Achsbolzen 15’ ist am Basisteil 3’ befestigt und mit einer Schraubenbohrung 9 für eine zentrale Befestigungsschraube 18 des Riemenspanners 1’ versehen.
Die Gleitlagerbuchse 10 kann alternativ auch ein Gleitbelag sein, der auf einem der Lager- und Dämpfungskegel 13, 14 befestigt ist
Bezugszeichenliste

1: Spannvorrichtung / Riemenspanner
2: Zugmittel / Riemen
3: Basisteil
4: Spannarm
5: Riemenrad
6: Feder / Federkennlinie
7: Reibring
8: Freilauf
9: Schraubenbohrung
10: Gleitlagerbuchse
11: Zwischenteil
12: Befestigungsbohrung für Freilauf
13: Außenmantelfläche des Zwischenteils
14: Innenmantelfläche
15: Achsbolzen für Freilauf
16: Lagerstützring
17: Axiallager
18: Befestigungsschraube
α: Schwenkwinkel
F: Reibkraft / Federkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6609988 B1 [0004]

Claims

Spannvorrichtung (1, 1’) für einen Zugmitteltrieb, umfassend ein Basisteil (3, 3’), einen relativ zum Basisteil (3, 3’) schwenkbar gelagerten Spannarm (4, 4’) mit einem das Zugmittel (2) vorspannenden Rad (5), eine die Zugmittelvorspannung erzeugende Feder (6) und einen die Schwenkbewegung des Spannarms (4, 4’) dämpfenden Reibkontakt, wobei die Federkraft und die Reibkontaktkraft den Spannarm (4, 4’) in Zugmittelvorspannrichtung beaufschlagen, wenn der Spannarm (4, 4’) entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (1, 1’) weiterhin einen Freilauf (8) umfasst, der mit dem Reibkontakt derart gekoppelt ist, dass die Reibkontaktkraft den Freilauf (8) sperrt, wenn der Spannarm (4, 4’) entgegen der Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, und dass die Reibkontaktkraft den Freilauf (8) öffnet, wenn der Spannarm (4, 4’) in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt, wobei die Reibkontaktpartner im wesentlichen ohne Relativbewegung sind.
Spannvorrichtung (1, 1’) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenklager des Spannarms (4, 4’) und der Reibkontakt durch Lagerund Dämpfungskegel gebildet sind und dass die Feder (6) als Schraubenfeder ausgebildet ist, die mit einer umfänglichen und einer axialen Kraftkomponente zwischen dem Basisteil (3, 3’) und dem Spannarm (4, 4’) eingespannt ist, wobei die umfängliche Federkraftkomponente den Spannarm (4, 4’) in Zugmittelvorspannrichtung schwenkt und wobei die axiale Federkraftkomponente die Reibkontaktpartner der Lager- und Dämpfungskegel unter Erzeugung der Reibkontaktkraft aneinander drückt.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager- und Dämpfungskegel ein den Freilauf (8) fest umschließendes Zwischenteil (11) mit kegelförmiger Außenmantelfläche (13) umfassen, die in einer kegelförmigen Innenmantelfläche (14) des Basisteils (3) gelagert ist, wobei der Spannarm (4) mit einem den Freilauf (8) lagernden Achsbolzen (15) versehen ist, der mittels eines von der axialen Federkraftkomponente beaufschlagten Axiallagers (17) gegen das Zwischenteil (11) anläuft.
Spannvorrichtung (1’) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager- und Dämpfungskegel ein den Freilauf (8) fest umschließendes Zwischenteil (11) mit kegelförmiger Außenmantelfläche (13) umfassen, die in einer kegelförmigen Innenmantelfläche (14) des Spannarms (4’) gelagert ist, wobei das Basisteil (3’) mit einem den Freilauf (8) lagernden Achsbolzen (15’) versehen ist, der mittels eines von der axialen Federkraftkomponente beaufschlagten Axiallagers (17) gegen das Zwischenteil (11) anläuft.
Spannvorrichtung (1, 1’) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (8) ein Hülsenfreilauf ist.
Spannvorrichtung (1, 1’) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager (17) ein Wälzlager ist.
Spannvorrichtung (1, 1’) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager- und Dämpfungskegel mittels einer Gleitlagerbuchse (10) ineinander gelagert sind.