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Die
Erfindung betrifft eine Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine
mit variabler Verdichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Kurbelwelle gemäß Anspruch
16.
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Bei
Brennkraftmaschinen ist es von Vorteil, wenn das Verdichtungsverhältnis
im Betrieb der Brennkraftmaschine verändert werden kann,
zum Beispiel um unter verschiedenen Betriebsbedingungen den jeweiligen
Wirkungsgrad zu verbessern und/oder die jeweiligen Abgasemissionen
zu verringern.
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Bekannte
Vorrichtungen, mit denen sich im Betrieb einer Brennkraftmaschine
das Verdichtungsverhältnis verändern lässt,
haben im Allgemeinen den Nachteil, dass sie einen relativ großen
Bauraum benötigen. Dies gilt jedoch nicht für
die Kurbelwellen der eingangs genannten Art, bei denen sich die
auf den Hubzapfen montierten und miteinander gekoppelten Exzenterbuchsen
jeweils mit Hilfe von Verstellwellen verdrehen lassen, die koaxial
zur Drehachse der Kurbelwelle durch Bohrungen von Wellenzapfen der
Kurbelwelle verlaufen und an beiden Stirnenden mit einer Verzahnung
versehen sind, die mit einer komplementären Verzahnung
der Exzenterbuchsen kämmt. Die Verstellwellen drehen sich
normalerweise mit der Kurbelwelle mit und werden bei Bedarf gemeinsam
in den Bohrungen der Kurbelwelle verdreht, was aufgrund der zusammenwirkenden Verzahnungen
der Verstellwellen und der Exzenterbuchsen zu einer Veränderung
der Lage der Drehachsen der Pleuel auf den Hubzapfen und damit zu einer
Veränderung des effektiven Kurbelradius und des Kolbenhubs
führt.
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Eine
Kurbelwelle der eingangs genannten Art ist zum Beispiel aus der
US 6,453,869 B1 bekannt,
wo die durch Bohrungen des Kurbelwellengrundkörpers verlaufenden
Verstellwellen an einem ihrer beiden Stirnenden mit einem einstückig
mit der Verstellwelle ausgebildeten Ritzel versehen sind, das mit
der Verzahnung der benachbarten Exzenterbuchse kämmt. Jedoch
handelt es sich bei der bekannten Kurbelwelle um eine gebaute Kurbelwelle,
deren Herstellung sehr aufwändig und teuer ist. Aus diesem Grund
werden bevorzugt monolithische Kurbelwellengrundkörper
verwendet, in denen sich jedoch mit einem Ritzel versehene Verstellwellen
wegen des verhältnismäßig schmalen Zwischenraums
zwischen benachbarten Wangen oder Gegengewichten nicht montieren
lassen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Kurbelwelle
der eingangs genannten Art die Verstellwelle dahingehend zu verbessern,
dass sie sich auch problemlos in einem monolithischen Kurbelwellengrundkörper
montieren lässt.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass die Verstellwelle zwei miteinander verschraubte Ritzel und
ein zwischen den Ritzeln angeordnetes Distanzstück umfasst.
Solche Verstellwellen lassen sich auch in einem monolithischen Kurbelwellengrundkörper
montieren, indem man das Distanzstück durch die fluchtenden
Bohrungen des Kurbelwellengrundkörpers hindurch in die vorgesehene
Bohrung bewegt, die beiden Ritzel in die Zwischenräume
zwischen den Wangen beiderseits dieser Bohrung einführt
und von entgegengesetzten Seiten her bis zum Anschlagen an das Distanzstück
annähert und indem man dann einen zum Verschrauben der
beiden Ritzel dienenden Schraubenbolzen durch die fluchtenden Bohrungen
des Kurbelwellengrundkörpers mit den beiden Ritzeln in Eingriff
bringt, um diese miteinander zu verschrauben.
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Das
Distanzstück ist vorzugsweise als Distanzhülse
ausgebildet, so dass der Schraubenbolzen mit seinem in Einführrichtung
vorderen Stirnende durch eines der Ritzel und die Distanzhülse
hindurch bis zum anderen Ritzel bewegt werden kann, um die Ritzel
anschließend miteinander zu verschrauben und sie von entgegengesetzten
Seiten her gegen das Distanzstück zu ziehen und sie form-
und/oder reibschlüssig mit dem Distanzstück in
Eingriff zu bringen.
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Um
das Einführen der Distanzhülse in die gewünschte
Bohrung durch alle oder einen Teil der übrigen Bohrungen
des Kurbelwellengrundkörpers hindurch zu ermöglichen,
weist die Distanzhülse zweckmäßig einen
Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser
der fluchtenden Bohrungen im Kurbelwellengrundkörper ist.
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Um
den Durchmesser der Distanzhülse und damit auch den Durchmesser
der Bohrungen möglichst gering zu halten und gleichzeitig
beim Festziehen des Schraubenbolzens eine hohe Spannkraft zu erzielen,
sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der
Schraubenbolzen an beiden Stirnenden mit einem Gewinde versehen
ist, das jeweils mit einem Gewinde des benachbarten Ritzels zusammenwirkt,
und dass die beiden Gewinde dieselbe Gangrichtung aber unterschiedlichen
Gewindesteigungen aufweisen. Mit anderen Worten wird zum Verschrauben
der beiden Ritzel eine Differentialverschraubung gewählt.
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Um
die Ritzel beim Verschrauben fest mit dem Distanzstück
zu verbinden, werden die Ritzel vorzugsweise mit Presspassung auf
dem Distanzstück befestigt, zweckmäßig
indem durch das Festziehen des Schraubenbolzens verjüngte
Stirnenden des Distanzstücks unter plastischer Verformung
in gegenüberliegende Ausnehmungen des benachbarten Ritzels
gedrückt werden.
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Um
den Bewegungsweg der Ritzel während der Montage und/oder
nach dem Festziehen des Schraubenbolzens zu begrenzen, weisen das
Distanzstück und jedes der beiden Ritzel mindestens ein Paar
zusammenwirkende Anschlagflächen auf, die bei der Montage
des Ritzels gegeneinander anschlagen, bevor die Ritzel mit Presspassung
auf das Distanzstück aufgeschoben werden, und/oder die
nach dem Verschrauben der beiden Ritzel gegeneinander angepresst
werden
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Um
das Einführen der Ritzel in die Zwischenräume
zwischen den Wangen beiderseits der mit dem Distanzstück
bestückten Bohrung zu ermöglichen, weist gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung jedes Ritzel
eine axiale Länge auf, die kleiner als der Abstand zwischen
benachbarten Wangen des Kurbelwellengrundkörpers ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
mit Bohrungen für Verstellwellen zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine;
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2 eine
vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils
der Kurbelwelle mit einer auf einem Hubzapfen der Kurbelwelle montierten
Exzenterbuchse und einem mit einer Verzahnung der Exzenterbuchse
kämmenden Ritzel von einer der Verstellwellen;
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3 eine
Seitenansicht eines Teils der Kurbelwelle;
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4 eine
Längsschnittansicht eines Teils der Kurbelwelle und von
einer der Verstellwellen im Bereich des Ausschnitts IV in 3;
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5 eine
auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Verstellwelle;
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6 eine
vergrößerte Längsschnittansicht eines
Teils der Kurbelwelle und von benachbarten Stirnenden zweier Verstellwellen
während deren Montage;
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7 eine
noch stärker vergrößerte Längsschnittansicht
eines Teils der Kurbelwelle und der gegenüberliegenden
Stirnenden zweier Verstellwellen im Bereich des Ausschnitts VII
in 4;
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8 eine
Darstellung ähnlich 4, jedoch von
einer modifizierten Verstellwelle während des Verschraubens
von Ritzeln der Verstellwelle.
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Der
in 1 der Zeichnung dargestellte monolithische, aus
einem Stück bestehende Kurbelwellengrundkörper 1 einer
Kurbelwelle 2 einer Brennkraftmaschine umfasst mehrere
zur Lagerung der Kurbelwelle 2 dienende, in Längsrichtung
der Kurbelwelle 2 im Abstand voneinander angeordnete zylindrische
Wellenzapfen 3, mehrere zwischen den Wellenzapfen 3 angeordnete,
jeweils an einen der Wellenzapfen 3 angrenzende Wangen 4,
sowie mehrere, jeweils zwischen zwei benachbarten Wangen 4 angeordnete
Hubzapfen 5, 6, 7, 8 zur drehbaren
Lagerung jeweils eines Pleuels (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine.
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Zwischen
der zylindrischen Umfangsfläche 9 jedes Hubzapfens 5, 6, 7, 8 und
der zylindrischen inneren Begrenzungsfläche eines Lagerauges
des zugehörigen Pleuels befindet sich eine Exzenterbuchse 10 (2),
deren auf der Umfangsfläche des Hubzapfens 5, 6, 7, 8 gleitende
zylindrische innere Umfangsfläche in Bezug zu ihrer gegen
die Begrenzungsfläche des Lagerauges des Pleuels anliegenden
zylindrischen äußeren Umfangsfläche eine
Exzentrizität aufweist. Zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses
der Brennkraftmaschine kann die Exzenterbuchse 10 auf dem
zugehörigen Hubzapfen 5, 6, 7, 8 in
zwei oder mehr verschiedene gewünschte Drehstellungen verdreht
werden, was infolge der Exzentrizität der Exzenterbuchse 10 zu
einer Veränderung der Lage der Drehachsen der Pleuel auf
den Hubzapfen 5, 6, 7, 8 und
damit zu einer Veränderung des effektiven Kurbelradius
und des Hubs der Kolben führt. Diese Veränderung
des Hubs kann zum Beispiel ausgenutzt werden, um den Wirkungsgrad
der Brennkraftmaschine durch Erhöhung der Verdichtung zu
verbessern.
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Jede
Exzenterbuchse 10 ist an ihren entgegengesetzten Stirnenden
jeweils mit einem in radialer Richtung einer Mittelachse des Hubzapfens 5, 6, 7, 8 über
die zylindrische äußere Umfangsfläche
der Exzenterbuchse 10 überstehenden Flansch 11 versehen,
dessen kreisförmiger, zur Mittelachse des Hubzapfens 5, 6, 7, 8 koaxialer
Umfangsrand eine Stirnverzahnung 12 aufweist. Wie am besten
in 2 und 3 dargestellt, kämmen
die Stirnverzahnungen 12 der beiden Flansche 11 jeweils
mit einer komplementären Stirnverzahnung 13 von
zwei zur Drehachse 14 der Kurbelwelle 2 koaxialen
Zahnrädern 15, 16 bzw. 17, 18,
die im axialen Abstand voneinander paarweise in jedem Zwischenraum 19 zwischen
zwei benachbarten Wangen 4 des Kurbelwellengrundkörpers 1 angeordnet
sind.
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Wie
am besten in 3 dargestellt, kann das zum
rechten Stirnende der Kurbelwelle 2 benachbarte erste Zahnrad 15 mittels
eines Drehantriebs 20 in Bezug zum Kurbelwellengrundkörper 1 um
die Drehachse 14 gedreht werden. Dies erfolg mit Hilfe
einer ersten Verstellwelle 21, die sich vom Drehantrieb 20 durch
eine zur Drehachse 14 koaxiale Bohrung 22 (1 und 4)
des Kurbelwellengrundkörpers 1 bis zum ersten
Zahnrad 15 erstreckt.
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Wenn
das erste Zahnrad 15 mittels des Drehantriebs 20 gedreht
wird, wird infolge des Zahneingriffs der beiden Verzahnungen 12, 13 die
Exzenterbuchse 10 auf dem Hubzapfen 5 verdreht.
Da die Verzahnung 12 am entgegengesetzten Flansch 11 der
auf dem Hubzapfen 5 angeordneten Exzenterbuchse 10 mit
der Verzahnung 13 des im Zwischenraum 19 gegenüberliegenden
zweiten Zahnrads 16 kämmt, die dasselbe Übersetzungsverhältnis
besitzen, wird das zweite Zahnrad 16 um dasselbe Maß wie
das erste Zahnrad 15 verdreht.
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Das
zweite Zahnrad 16 ist über eine mit der ersten
Verstellwelle 21 fluchtende zweite Verstellwelle 23 drehfest
mit dem Zahnrad 17 verbunden, das im nächsten,
den Hubzapfen 6 beherbergenden Zwischenraum 19 zwischen
zwei Wangen 4 angeordnet ist. Die Verzahnung 13 des
dritten Zahnrads 17 kämmt in entsprechender Weise
wie die Verzahnung 13 des ersten Zahnrads 15 mit
der komplementären Verzahnung 12 des benachbarten
stirnseitigen Flanschs 11 der auf dem Hubzapfen 6 angeordneten Exzenterbuchse 10,
deren Bauweise der Bauweise der Exzenterbuchse 10 auf dem
Hubzapfen 5 entspricht. Die Drehung des Zahnrades 17 wird
daher über die beiden Verzahnungen 12 an den Flanschen 12 der
Exzenterbuchse 10 auf das dem Zahnrad 17 gegenüberliegende
Zahnrad 18 und von diesem über eine dritte, mit
den Verstellwellen 21 und 23 fluchtende Verstellwelle 24 auf
ein weiteres Zahnrad (nicht dargestellt) übertragen, usw..
Dadurch werden bei einer Drehung der ersten Verstellwelle 21 in
Bezug zum Kurbelwellengrundkörper 1 sämtliche
Exzenterbuchsen 10 um dasselbe Maß auf dem zugehörigen Hubzapfen 5, 6, 7, 8 verdreht.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine drehen sich die Verstellwellen 21, 23, 24 usw.
mit dem Kurbelwellengrundkörper 1 mit, wodurch
die Exzenterbuchsen 10 in Bezug zu den Hubzapfen 5, 6, 7, 8 ihre Winkelstellung
beibehalten. Wenn der Hub der Pleuel zum Beispiel zur Verbesserung
des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine unter speziellen Betriebsbedingungen
verändert werden soll, wird die Verstellwelle 21 in
Bezug zum Kurbelwellengrundkörper 1 um ein gewisses
Maß verdreht, und damit auch die übrigen Verstellwellen 23, 24 usw.
sowie sämtliche Exzenterbuchsen 10, was infolge
von deren Exzentrizität zu einer Veränderung der
Lage der Drehachsen der Pleuel auf den Hubzapfen 5, 6, 7, 8 und
damit zu einer Veränderung des effektiven Kurbelradius und
des Hubs und somit des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine
führt.
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Um
die Montage der Verstellwellen 21, 23, 24 usw.
mit den Zahnrädern 15, 16, 17, 18 usw.
in den zugehörigen Bohrungen 22 trotz der relativ
geringen Breite der Zwischenräume 19 zwischen
den Wangen 4 des monolithischen Kurbelwellengrundkörpers 1 zu
ermöglichen, sind die Verstellwellen 21, 23, 24 usw.
jeweils als geteilte Welle ausgebildet.
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Wie
am besten in den 4 und 5 am Beispiel
der Verstellwelle 23 dargestellt, bestehen die nicht mit
dem Drehantrieb 20 verbundenen Verstellwellen 23, 24 usw.
jeweils aus vier Teilen, nämlich einer hohlen Distanzhülse 25 und
den beiden an den Stirnenden der Verstellwelle 23 angeordneten
Ritzeln 16, 17, die mittels eines einzigen, durch
das hohle innere der Distanzhülse 25 verlaufenden
Schraubenbolzens 26 von entgegengesetzten Seiten her gegen die
beiden Stirnenden der Distanzhülse 25 gezogen werden,
um sie über die Distanzhülse 25 drehfest miteinander
zu verbinden.
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Wie
am besten in den 6 und 7 dargestellt,
weisen die beiden entgegengesetzten hohlzylindrischen Stirnenden 27 der
Distanzhülse 25 reduzierte Außendurchmesser
auf, wobei sie mit Presspassung in erweiterte Aufnahmebohrungen 28 in einander
zugewandten hohlen Wellenzapfen 29 der beiden Ritzel 16, 17 eindringen,
wenn diese mittels des Schraubenbolzens 26 bis zum gegenseitigen
Anschlagen von gegenüberliegenden Ringschultern 30, 31 an
den Wellenzapfen 29 der Ritzel 16, 17 bzw.
an den dazu benachbarten Stirnenden 27 der Distanzhülse 25 zusammengezogen
werden.
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Wie
am besten in 7 dargestellt, sind die gegenüberliegenden
Stirnenden der Distanzhülse 25 und der Ritzel 16, 17 zudem
an ihrem äußeren bzw. inneren Umfang jeweils mit
einer umlaufenden Fase 32, 33 versehen. Wenn die
beiden Ritzel 16, 17 bei der Montage der Verstellwelle 23 von
entgegengesetzten Seiten her in die Bohrung 22 eingeführt
werden, schlagen die beiden Fasen 32, 33 gegeneinander
an, wobei zwischen den gegenüberliegenden Ringschultern 30, 31 ein
definierter Abstand A verbleibt, der beim Eindrehen und Anziehen
des Schraubenbolzens 26 geschlossen wird.
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Die
hohlzylindrischen Distanzhülsen 25 weisen sämtlich
denselben konstanten Außendurchmesser auf, der so bemessen
ist, dass sich die Distanzhülsen 25 der Verstellwellen 23, 24 usw.
nacheinander von einem Stirnende des Kurbelwellengrundkörpers 1 her
durch die miteinander fluchtenden Bohrungen 22 in den mit
den Wellenzapfen 2 versehenen Abschnitten des Kurbelwellengrundkörpers 1 in
eine der Bohrungen 22 einführen lassen.
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Wie
am besten in 5 dargestellt, weist der Schraubenbolzen 26 einen
mittigen zylindrischen Schaftteil 34 und zwei erweiterte
Stirnenden 35, 36 auf, die unterschiedliche Außendurchmesser
besitzen. Das Stirnende mit dem größeren Außendurchmesser
bildet den Kopf des Schraubenbolzens 26 und ist mit einem
Innensechskant (nicht sichtbar) oder einer anderen stirnseitig offenen
Ausnehmung für ein Einschraubwerkzeug versehen. Beide Stirnenden 35, 36 sind
mit einem Außengewinde versehen, das mit einem komplementären
Innengewinde im Ritzel 17 bzw. 16 in Eingriff
tritt. Die beiden Außengewinde sind als Differenzgewinde
ausgebildet, welche die gleiche Gangrichtung aber unterschiedliche Gewindesteigungen
besitzen, die eine relativ geringe Steigungsdifferenz aufweisen.
Diese Steigungsdifferenz bewirkt, dass sich die Gewindegänge
der beiden Außengewinde an den Stirnenden 35, 36 des Schraubenbolzens
in den Innengewinden der zugehörigen Ritzel 17, 16 verspannen,
wodurch diese letzteren und die dazwischen angeordnete Distanzhülse 25 mit
großer Spannkraft gegeneinander verspannt werden können.
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Bei
der in 8 während des Festziehens des Schraubenbolzens 26 dargestellten
modifizierten Verstellwelle 23 sind die beiden Ritzel 16 und 17 jeweils
mit einer axialen Nut (nicht sichtbar) versehen, während
die Stirnenden 27 der Distanzhülse mit einem überstehenden
Nocken (nicht sichtbar) versehen sind, der sich während
des Festziehens des Schraubenbolzens 26 in der Nut verschiebt
und ein gegenseitiges Verdrehen der Distanzhülse 25 und der
Ritzel 16, 17 verhindert.
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Zur
Montage der Verstellwelle 23 wird zuerst die Distanzhülse 25 durch
die fluchtenden Bohrungen 22 des Kurbelwellengrundkörpers 1 hindurch
in die jeweils vorgesehene Bohrung 22 bewegt. Anschließend
werden die beiden Ritzel 16, 17 in die Zwischenräume 19 zwischen
den Wangen 4 beiderseits dieser Bohrung 22 einführt.
Um dies zu ermögli chen, ist die axiale Länge a
der Ritzel 16, 17 kleiner als die lichte Weite
b des Zwischenraums 19 abzüglich der axialen Höhe
c der Verzahnung 13 der Ritzel, wie in 6 am
Beispiel der Ritzel 15 und 16 dargestellt. Die
beiden Ritzel 16, 17 der Verstellwelle 23 werden
dann von entgegengesetzten Seiten her bis zum gegenseitigen Anschlagen
der Fasen 32, 33 an die Distanzhülse 25 der
Verstellwelle 23 angenähert, bevor zuletzt der
Schraubenbolzen 26 von der Seite des Ritzels 17 mit
dem größeren Innengewinde her durch die fluchtenden
Bohrungen 22 des Kurbelwellengrundkörpers 1 hindurch
mit seinem vorderen Stirnende ins hohle Innere der Distanzhülse 25 eingeführt
und dann bis zum gegenseitigen Anschlagen der Ringschultern 30, 31 mit
den beiden Ritzeln 16, 17 verschraubt wird. Dabei
werden die Ritzel 16, 17 mit Presspassung auf
die Stirnenden der Distanzhülse 25 gedrückt,
wobei diese plastisch verformt werden.
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- 1
- Kurbelwellengrundkörper
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Wellenzapfen
- 4
- Wangen
- 5
- Hubzapfen
- 6
- Hubzapfen
- 7
- Hubzapfen
- 8
- Hubzapfen
- 9
- Umfangsfläche
Hubzapfen
- 10
- Exzenterbuchse
- 11
- Stirnflansch
Exzenterbuchse
- 12
- Verzahnung
Stirnflansch
- 13
- Verzahnung
Ritzel
- 14
- Drehachse
Kurbelwelle
- 15
- Ritzel
- 16
- Ritzel
- 17
- Ritzel
- 18
- Ritzel
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Drehantrieb
- 21
- Verstellwelle
- 22
- Bohrung
- 23
- Verstellwelle
- 24
- Verstellwelle
- 25
- Distanzhülse
- 26
- Schraubenbolzen
- 27
- Stirnenden
Distanzhülse
- 28
- Ausnehmung
Wellenzapfen
- 29
- Wellenzapfen
- 30
- Ringschulter
- 31
- Ringschulter
- 32
- Fase
- 33
- Fase
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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