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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für ein endloses Kraftübertragungsteil, wie
beispielsweise ein Endlosriemen, eine Endloskette oder dergleichen, nach dem ersten Teil des
Anspruchs 1. Eine Spannvorrichtung dieser Art ist in US-A-4 696 663 beschrieben.
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Diese Federspannvorrichtung spannt die Position eines Schwenkarmes, an dem eine
Riemenscheibe drehbar befestigt ist, vor. 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 Nockenwellen-
Riemenscheibe. 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. Da sich der Drehpunkt radial innen in bezug auf die Lagerdrahfläche befindet, müssen die
Lager verhältnismäßig groß sein, um einen gewissen Exzentrizitätsbetrag als Ausgleich zum
Spannen eines lockeren Riemens zu bewirken 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 seibsteinstellende Riemenspannvorrichtung kann derartige
Veränderungen bei der Wärmewirkung zwischen einem warmen Motor und einem kalten Motor
überwinden.
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Ein Beispiel für eine seibsteinstellende Synchronriemenspannvorrichtung mit einem
Dämpfungssystem ist in US-A-4 917 655 offenbart. Diese Spannvorrichtung vom exzentrischen Typ
mit radial einwärts der Lagerfläche gelegenem Drehpunkt, hat den gleichen Nachteil wie eine
feste Scheibe vom Exzenter-Typ, das heißt, sie erfordert ein sehr großes Lager. Üblicherweise
sind große Lager teurer als kleine Lager. Ferner ist bei solchen seibsteinstellenden exzentrischen
Spannvorrichtungen die Länge des die Exzentrizität bewirkenden Schwenkarme relativ gering.
Die geringe Länge des Schwenkarms kann den Betrag des verfügbaren "Ausgleichs" begrenzen
und ferner geometrische Krafteinwirkungen induzieren. Zum Steuern der Riemenspannung
müssen große Winkelveränderungen eines kurzen Schwenkarms in geeigneter Weise
berücksichtigt oder ausgeglichen werden (z.B. durch veränderliche Federlasten).
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US-A-4 551 120 und US-A-4 696 663 bieten Lösungen für das Problem der kurzen
Schwenkarme von exzentrischen Spannvorrichtungen, nach denen eine größere Schwenkarmlänge
vorgesehen ist. Dies wird erreicht, indem der Drehpunkt radial auswärts der Scheibenlagerfläche
angeordnet ist. Zwar sind diese Spannvorrichtungen kompakt, jedoch sind sie für stirnseitige
Zusatzantriebssysteme anstatt für Synchronriemenspannvorrichtungen vorgesehen und sie
weisen eine sehr große axiale Länge entlang der Schwenkachse auf. Diese Spannvorrichtungen
verwenden eine schraubenlinienförmig gewundene Torsionsfeder zum Vorspannen der Position
des Schwenkarms. Ein Gehäuse zur Aufnahme der Drehfeder bewirkt eine große axiale Länge.
Die axiale Länge macht diese Vorrichtungen aus Gründen von Platzmangel für einige
Anwendungen zum Riemenspannen in Automobilen ungeeignet.
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Eine andere Art von Riemenspannvorrichtung ist in US-A-5 098 347 und US-A-5 045 031
offenbart. In diesen Dokumenten weisen die Spannvorrichtungen eine für einige Automobil-
Nockenwellenriemenscheibenausbildungen geeignete axiale Länge oder Tiefe auf, jedoch führt
ihr Design zu einigen geometrischen Problemen, die ihre Verwendung in anderen
Anwendungsbereichen verhindern. Bei beiden Spannvorrichtungen ist die Scheibe in einem Maße in die
Spannvorrichtungsstruktur eingelassen, daß sie wenigstens teilweise von Vorsprüngen der
Spannvorrichtungsstruktur umgeben ist. Der Riemen muß beim Lauf um die Spannscheibe und
andere Scheiben des Riementriebs von den Vorsprüngen entfernt bleiben. Die Vorsprünge
können die Verwendung solcher Spannvorrichtungen aufgrund der räumlichen Begrenzungen
eines Automobilmotors erheblich beschränken.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der in Anspruch 1 angegebenen 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 Drebzapfen an einer Basisstruktur schwenkbar befestigt ist und an dem Schwenkarm eine
Riemenscheibe zum Angreifen an einem Riemen drehbar befestigt ist. Die Riemenscheibe weist
im wesentlichen "Topfkuchenform" auf, die auf einer axialen Seite zur Bildung eines Ringraums
offen ist. Ein Abschnitt des Drehzapfens ragt in den Ringraum. Zwischen der Basisstruktur und
dem Schwenkarm ist eine Druckfeder zum Vorspannen der Bewegung des Schwenkarms
vorgesehen. Erfindungsgemäß ragen ein Teil der Basisstruktur und ein Teil des Schwenkarms
in den Ringraum und die Druckfeder ist zwischen diesen Teilen angeordnet. Wenigstens ein Teil
der Druckfeder ist ebenfalls in dem Ringraum angeordnet, wodurch die Riemenscheibe
gegenüber bekannten Spannvorrichtungen ein niedriges oder flaches axiales Profil erhält.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Riemenscheibe in bezug zu anderen Elementen
der Spannvorrichtung nicht zurückgesetzt ist.
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Eine weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Riemenscheibe einen Teil der Feder
und des Drehzapfens im wesentlichen umschließt, um ein flaches Spannvorrichtungsprofil bei
gleichzeitigem Schutz zu bewirken.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten exzentrischen Spannvorrichtungen
besteht darin, daß ein Lager mit relativ kleinerem Durchmesser und daher geringeren Kosten
verwendet werden kann (im Vergleich zu exzentrischen Spannungsvorrichtungen), wobei ferner
ein längerer Schwenkarm erzielt wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, wenigstens einen Teil der Druckfeder in dem Ringraum der
Riemenscheibe derart anzuordnen, daß die Feder im allgemeinen nach Art einer Kreissehne in
bezug zur Riemenscheibe positioniert ist.
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Diese und andere Aufgaben oder Vorteile der Erfindung sind ersichtlich nach Durchsicht der
Zeichnungen und deren Beschreibung, welche zeigen:
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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, mit einer Seitenansicht der
Spannvorrichtung ohne den Riemen,
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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.
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 am besten in Fig. 2 dargestellt weist die Spannvorrichtung eine flache axiale Tiefe oder
Länge auf und die Riemenscheibe muß nicht in andere Bauteile der Spannvorrichtung eingesetzt
sein. Das Ausbildung der Spannvorrichtung ermöglicht einen Zugang zur Riemenscheibe über
im wesentlichen 360º, wodurch sich eine Anzahl verschiedener Möglichkeiten der Ausbildung
zahlreicher Einrichtungen zum Befestigen der Spannvorrichtung an einem Motor ergibt, ohne
daß Hindernisse erzeugt werden, die den Kraftübertragungsriemen behindern.
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Wie aus den Fign. 3-5 hervorgeht, ist die erfindungsgemäße Riemenspannvorrichtung 20
federgespannt und weist eine Basisstruktur 26 auf, welche wahlweise Ansätze 28,30 zum
Anbringen der Spannvorrichtung, 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" aul, 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 aul, der in den Ringraum 44
hineinragt und eine Einrichtung, wie beispielsweise einen Vorsprung 54 mit einem Schlitz 56,
zur Aufnahme eines Endbereiches der Feder 34 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 US-A-5 045 031
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 Dämpfüngseinrichtung 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 einen
Schlitz oder 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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Die Befestigungsvorrichtung 78 dient ferner dazu, den Schwenkarm 32 an der Basisstruktur 26
zu halten. Die oder jede Unterlage 66, 68 aus Reibmaterial kann 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 Kompaktheit 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 lediglich 56 mm auf. Die geringe axiale Länge wurde durch Verwendung einer Druckfeder
mit einem Durchmesser von 19 mm und einer nominellen komprimierten Länge von 32 mm
möglich. Die Feder war bogensehnenartig in den Ringraum der im wesentlichen nach Art einer
Topfkuchenform gestalteten Riemenscheibe eingepaßt. Somit betrug das Verhältnis zwischen
der axialen Länge der Spannvorrichtung und dem Riemenscheibendurchmesser ledigleich 0,54.
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.