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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle, insbesondere für eine
Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung durch Verändern
eines Kurbelwellenhubs, die mindestens einen Hubzapfen und mindestens
einen Lagerzapfen und eine Verstelleinrichtung für eine
radiale Abstandseinstellung des Hubzapfens zum Lagerzapfen aufweist,
wobei der Hubzapfen mindestens eine drehbar gelagerte Pleuel-Exzenterbuchse
aufweist.
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Es
ist bekannt, eine Hubveränderung eines Kolbens beispielsweise
in einer Brennkraftmaschine herbeizuführen. Der Kolben
ist über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden,
die eine Pleuel-Exzenterbuchse aufweist, die sich auf einem Hubzapfen
befindet. In der
DE
103 09 652 A1 , die sich mit einer derartigen Hubveränderung
befasst, wird mittels hydraulischer Kräfte ein Befestigungsstift,
der die Pleuel-Exzenterbuchse in einer Kurbelwange fixiert oder
löst, bewegt. Die Fixierung der Pleuel-Exzenterbuchse kann
hier an vorgesehenen Positionen in der Kurbelwange durchgeführt
werden. Da für jede fixierte Position der Pleuel-Exzenterbuchse
eine zugehörige Bohrung in der Kurbelwange erforderlich
ist, um in dieser Bohrung den Stift zu halten, mit dem die Pleuel-Exzenterbuchse
fixiert wird, ist die Zahl der möglichen Veränderungen
des Hubs begrenzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwelle
zu schaffen, die die Einstellbarkeit der Pleuel-Exzenterbuchse und damit
des Hubs und der Verdichtung verbessert, um auf diesem Weg den Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Pleuel-Exzenterbuchse mittels eines Drehgetriebes mit einer
durch den Lagerzapfen führenden Drehwinkelsteuerwelle wirkverbunden
ist. Anders als im Stand der Technik wird die Fixierung der Pleuel-Exzenterbuchse
nicht durch das Einrasten eines Befestigungsstifts an wenigen diskreten
Positionen durchgeführt, sondern ein Drehgetriebe lässt eine
Drehwinkeleinstellung der Pleuel-Exzenterbuchse zu. Das Drehgetriebe
stellt eine Verbindung zwischen Pleuel-Exzenterbuchse und Drehwinkelsteuerwelle
dar. Mit Hilfe der Drehwinkelsteuerwelle lässt sich die
Pleuel-Exzenterbuchse und damit der Hub verstellen. Das Drehgetriebe
ermöglicht eine kontinuierliche Verstellung der Pleuel-Exzenterbuchse,
sodass eine optimale Anpassbarkeit besteht. Mit dieser Technik ist
es möglich, die Verdichtung einer Brennkraftmaschine in
verschiedenen Betriebszuständen zu optimieren, weil die
Hubverhältnisse hochgenau eingestellt werden können.
Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine lässt sich auf
diesem Weg erhöhen. Mittels der Drehwinkelsteuerwelle lässt
sich die Drehwinkelstellung der Pleuel-Exzenterbuchse einstellen,
sodass die Drehwinkelsteuerwelle ein Einstellmittel darstellt. Die
Drehwinkelsteuerwelle verläuft durch den Lagerzapfen und
ist vorzugsweise dort drehbar gelagert.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Drehgetriebe formschlüssig zusammenwirkende Drehelemente
aufweist. Diese Art des Zusammenwirkens ist dafür verantwortlich,
dass eine besonders präzise Übertragung der Bewegung
durch das Drehgetriebe vorgenommen wird.
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Eine
andere Fortbildung dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehelemente Zahnradelemente sind. Das hat zur Folge, dass
kein Durchrutschen bei der zu übertragenden Bewegung stattfindet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
eines der Zahnradelemente durch eine an der Pleuel-Exzenterbuchse
ausgebildete Verzahnung ausgebildet ist. Da dieses Zahnrad in das
Material der Pleuel-Exzenterbuchse eingearbeitet wurde, ist sichergestellt,
dass das Rad besonders stabil und formbeständig ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
eines der Zahnradelemente durch eine an der Drehwinkelsteuerwelle
ausgebildete Verzahnung ausgebildet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung ist vorgesehen,
dass die Verzahnungen der Zahnradelemente als Schrägverzahnungen
ausgebildet sind. Da bei diesen Zahnradelementen Axialkräfte
beim Betätigen auftreten, werden sie aneinandergepresst.
Dadurch tritt praktisch kein Spiel auf. Dies führt dazu,
dass die Bewegung der Drehwinkelsteuerwelle sehr präzise
auf die jeweilige Pleuel-Exzenterbuchse übertragen wird.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform sieht die Ausgestaltung
der Erfindung vor, dass die Drehwinkelsteuerwelle mehrere Drehwinkelsteuerwellenabschnitte
aufweist. Diese Konstruktionsweise erlaubt es, die vorliegende Erfindung
bei Kurbelwellen mit mehreren Hubzapfen anzuwenden.
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Eine
andere positive Weiterentwicklung dieser Erfindung sieht vor, dass
mindestens einige der Drehwinkelsteuerwellenabschnitte zwei Schrägverzahnungen
aufweisen, die jeweils gegenläufig zueinander gerichtet
sind. Aufgrund der gegenläufigen Schrägverzahnungen
werden die Drehwinkelsteuerwellenabschnitte durch das Auftreten
gegenläufiger axialer Kräfte nicht verschoben.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Schrägverzahnungen der Drehwinkelsteuerwellenabschnitte
an einem Ende des jeweiligen Drehwinkelsteuerwellenabschnitts eingearbeitet
und am anderen Ende des jeweiligen Drehwinkelsteuerwellenabschnitts
als Ritzel aufgeschrumpft sind. Durch diese Fertigungsweise wird
eine erhöhte Flexibilität bei der Montage erreicht.
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In
einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Drehwinkelsteuerwelle parallel zu einer Kurbelwellenachse verläuft.
Diese Anordnung ermöglicht ein präzises Kämmen
der Zahnradelemente der Drehwinkelsteuerwelle und der Pleuel-Exzenterbuchse.
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In
einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Kurbelwelle für mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine
Pleuel-Exzenterbuchsen und mehrere Drehwinkelsteuerwellenabschnitte
aufweist. Diese Konstruktionsweise erlaubt es, die Erfindung bei
Kurbelwellen mit mehreren Hubzapfen anzuwenden.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens
einige der Drehwinkelsteuerwellenabschnitte und mindestens einige
der Pleuel-Exzenterbuchsen jeweils mindestens zwei Verzahnungen
derart aufweisen, dass mehrere Drehwinkelsteuerwellenabschnitte
und Pleuel-Exzenterbuchsen zur Ausbildung eines drehbar miteinander
gekoppelten Stranges in Reihe geschaltet sind. Diese Konstruktionsweise
erlaubt es, einen durchgängigen Antriebsstrang für
die Pleuel-Exzenterbuchsen zu schaffen. Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Reihenschaltung in abwechselnder Folge hintereinander
geschaltete Drehwinkelsteuerwellenabschnitte und Pleuel-Exzenterbuchsen
aufweist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die
Drehwinkelsteuerwelle eine Antriebseinheit besitzt. Mit dieser Antriebseinheit
ist über die Drehwinkelsteuerwelle eine Drehwinkeleinstellung
der mindestens einen Pleuel-Exzenterbuchse möglich.
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Eine
weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Antriebseinheit
ein insbesondere elektromechanisch oder hydraulisch angetriebenes
Planetenradgetriebe ist.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die
Kurbelwelle eine zusammengebaute Kurbelwelle ist. Diese Fertigungsweise
erlaubt ein Gießen oder Schmieden der Kurbelwelle als Ganzes
und ein anschließendes Teilen, insbesondere Zersägen.
Bevorzugt erfolgt ein Gießen oder Schmieden der Hubzapfen
mit Übermaß. Die Hubzapfen werden anschließend
geteilt und erhalten eine Hirth-Verzahnung. Nach dem Verschrauben
der Einzelteile der Kurbelwelle werden die Hubzapfen bearbeitet
und erhalten dadurch ihren Solldurchmesser.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Kurbelwelle und
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2 einen
Ausschnitt aus einem Antriebsbereich zum Einstellen eines Hubs der
Kurbelwelle.
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Die 1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Kurbelwelle 1. Die Kurbelwelle 1 weist
in dem Ausschnitt einen Hubzapfen 2 und einen Lagerzapfen 3 auf,
wobei Hubzapfen 2 und Lagerzapfen 3 aufgrund der
Schnittlegung des Ausschnitts nur teilweise dargestellt sind. Die
Kurbelwelle 1 weist eine Längsachse 4 auf,
um die sie sich im Betrieb dreht. Der Lagerzapfen 3 verläuft
koaxial zur Längsachse 4. Er wird von einem Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5 durchsetzt,
der Teil einer Drehwinkelsteuerwelle 6 ist. Dies bedeutet,
dass mehrere Drehwinkelsteuerwellenabschnitte 5 vorgesehen
sind, aufgrund des in der 1 dargestellten
Ausschnitts figürlich jedoch nur einer erkennbar ist. Der
Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5 ist in einer Bohrung 7 des
Lagerzapfens 3 mittels Lagerbuchsen 8 drehbar
gelagert. Zur Aufnahme der Lagerbuchsen 8 ist die Bohrung 7 aufgeweitet
ausgebildet. Der Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5 weist
an jedem seiner Enden ein Drehelement 9 auf, das als Zahnradelement 10 mit
Verzahnung 11 ausgebildet ist. Die Verzahnung 11 ist
bevorzugt jeweils als Schrägverzahnung 12 ausgestaltet. Insbesondere
ist vorgesehen, dass eines der Drehelemente 9 einstückig
am übrigen Teil des Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 ausgebildet
ist. Das andere Drehelement 9 ist als Ritzel 13 ausgestaltet,
das auf den übrigen Teil des Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 aufgeschrumpft
ist und die Schrägverzahnung 12 trägt.
Durch diese Bauart ist es möglich, den Einbau des Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 in den
Lagerzapfen 3 zu ermöglichen, indem zunächst ein
Einstecken erfolgt und dann das Ritzel 13 aufgeschrumpft
wird.
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Auf
dem Hubzapfen 2 ist eine Pleuel-Exzenterbuchse 14 drehbar
gelagert. Sie weist an ihren beiden Enden Drehelemente 15 auf,
die als Zahnradelemente 16 mit Verzahnungen 17 ausgebildet
sind. Vorzugsweise handelt es sich bei den Verzahnungen 17 um
Schrägverzahnungen 18. In der 1 ist
aufgrund der Schnittführung nur ein Drehelement 15 ersichtlich.
Die Drehelemente 9 und 15 bilden zusammen ein
Drehgetriebe 19, wobei die Schrägverzahnung 12 mit
der Schrägverzahnung 18 kämmt.
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Auf
der Pleuel-Exzenterbuchse 14 ist – 1 – ein
Pleuel 20 gelagert. Vom Pleuel 20 ist in der 1 nur
ein Abschnitt erkennbar. Das Pleuel 20 führt zu
einem Kolben einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolben in einem
entsprechenden Zylinder dieser Brennkraftmaschine verlagerbar geführt
ist. Im Betrieb der Brennkraftmaschine treibt der Kolben über
das Pleuel 20 die Kurbelwelle 1 an. Wie eingangs
erwähnt, weist die Kurbelwelle mehrere Hubzapfen 2 und
mehrere Lagerzapfen 3 auf, wobei auf jedem der Hubzapfen 2 eine
Pleuel-Exzenterbuchse 14 lagert und jeder Pleuel-Exzenterbuchse 14 ein
zu einem entsprechenden Kolben der Brennkraftmaschine führendes
Pleuel 20...
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Für
die nachfolgende Funktionserklärung wird zunächst
nur Von einem Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5 und einer
Pleuel-Exzenterbuchse 14 ausgegangen, obwohl mehrere derartige
Teile vorgesehen sind. Es sei angenommen, dass die Kurbelwelle 1 mittels
des Pleuels 20 angetrieben wird und dass der Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5 mit
der Kurbelwelle 1 mit rotiert, das heißt er nimmt
relativ zum Lagerzapfen 3 eine feste Drehwinkelstellung ein.
Hierdurch weist auch die Pleuel-Exzenterbuchse 14 relativ
zum Hubzapfen 2 eine feste Drehwinkelstellung auf, sodass
das Pleuel 20 einen entsprechenden Hub durchläuft.
Soll nun – insbesondere zur Verbesserung des Wirkungsgrades
der Brennkraftmaschine – aufgrund einer bestimmten Betriebssituation
der Hub verändert werden, so ist es aufgrund der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung lediglich erforderlich, mittels eines geeigneten Antriebs 21 eine Relativdrehung
des Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 zum Lagerzapfen 3 durchzuführen.
Hierdurch wird die Winkelverdrehung des Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 über
das Drehgetriebe 19 auf die Pleuel-Exzenterbuchse 14 übertragen,
wodurch sich – aufgrund der Exzentrizität der
Pleuel-Exzenterbuchse 14 – der Hub entsprechend ändert.
Aus alledem wird deutlich, dass mittels des Drehgetriebes 19 eine
kontinuierliche Hubverstellung ermöglicht ist.
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Vorzugsweise
sind sämtliche Drehwinkelsteuerwellenabschnitte 5 und
Pleuel-Exzenterbuchsen 14 jeweils über entsprechende
Drehgetriebe 19 miteinander gekuppelt, das heißt,
durch die alternierende Reihenschaltung dieser Elemente lassen sich mittels eines
einzigen Antriebs 21 sämtliche Pleuel-Exzenterbuchsen 14 und
damit alle entsprechenden Hübe der zugeordneten Pleuel 20 einstellen.
Zur Schmiermittelversorgung weist der Lagerzapfen 3 einen
Schmiermittelkanal 22 auf, von dem eine Radialbohrung 23 abgeht,
die ein nicht dargestelltes Lager für den Lagerzapfen 3 schmiert.
Ferner führt der Schmiermittelkanal 22 über
Stichbohrungen 24 und 25 zu einem Lagerbereich 26 der
Pleuel-Exzenterbuchse 14, sodass auch diese mit Schmiermittel
versorgt ist. Vom Lagerbereich 26 führt eine Schmiermittelbohrung 27 zum
Pleuelauge 28 des Pleuels 20, sodass auch hier
eine Schmierung durchgeführt wird.
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Bevorzugt
wird die Kurbelwelle 1 als geteilte Kurbelwelle 1 hergestellt.
Hierzu wird sie aus einem Stück gegossen beziehungsweise
geschmiedet, wobei die Hubzapfen 2 mit Überlänge
gestaltet werden. Hierdurch ist es möglich, die Hubzapfen 2 anschließend
zu teilen, insbesondere zu zersägen, und an den Schnittstellen
Hirth-Verzahnungen auszubilden. Um die Kurbelwelle 1 anschließend
zusammenzusetzen, werden die Hubzapfenabschnitte mittels Verschraubungen 29 axial
miteinander verspannt. Anschließend kann eine Bearbeitung
der Hubzapfen erfolgen, damit sie ihren Solldurchmesser erhalten.
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Die 2 zeigt
die Kurbelwelle 1 in ihrem Endbereich. Dort ist zur Schwingungsdämpfung
ein Schwingungsdämpfer 30 vorgesehen. Im Bereich des
Schwingungsdämpfers 30 ist der Antrieb 21 angeordnet,
der in der 2 nicht explizit ausgezeichnet
ist. Der Antrieb 21 ist bevorzugt als Planetenradgetriebe 31 ausgebildet,
das dazu dient, die gewünschten Relativdrehungen des zugeordneten Drehwinkelsteuerwellenabschnitts 5 zur
Einstellung des Hubs herbeizuführen. Ein Zahnrad 32 des
Planetenradgetriebes 31 kämmt zu diesem Zweck
mit dem zugeordneten Drehwinkelsteuerwellenabschnitt 5.
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Der
Antrieb 21 ist vorzugsweise mit zwei Endanschlägen
versehen, um den Hub zu begrenzen, sodass ein minimaler und ein
maximaler Hub eingestellt werden kann.
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Aufgrund
der Erfindung wird deutlich, dass sich die Verdichtung der Brennkraftmaschine
durch Einstellung des Hubs kontinuierlich verändern lässt, sodass
in jeder Betriebssituation der geeignete Hub stufenlos, das heißt
kontinuierlich, eingestellt werden kann. Aufgrund der Ausbildung
der Verzahnungen 11 und 17 als Schrägverzahnungen 12 und 18 ist
eine spielfreie Drehwinkeleinstellungsübertragung möglich,
das heißt, es ist sichergestellt, dass auch aufgrund des
Durchschleifens der Verstellkräfte der Hub für
jeden Zylinder der Brennkraftmaschine gleich groß eingestellt
wird.
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Hubzapfen
- 3
- Lagerzapfen
- 4
- Längsachse
- 5
- Drehwinkelsteuerwellenabschnitt
- 6
- Drehwinkelsteuerwelle
- 7
- Bohrung
- 8
- Lagerbuchse
- 9
- Drehelement
- 10
- Zahnradelement
- 11
- Verzahnung
- 12
- Schrägverzahnung
- 13
- Ritzel
- 14
- Pleuel-Exzenterbuchse
- 15
- Drehelement
- 16
- Zahnradelement
- 17
- Verzahnung
- 18
- Schrägverzahnung
- 19
- Drehgetriebe
- 20
- Pleuel
- 21
- Antrieb
- 22
- Schmiermittelkanal
- 23
- Radialbohrung
- 24
- Stichbohrung
- 25
- Stichbohrung
- 26
- Lagerbereich
- 27
- Schmiermittelbohrung
- 28
- Pleuelauge
- 29
- Verschraubung
- 30
- Schwingungsdämpfer
- 31
- Planetenradgetriebe
- 32
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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