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Die Erfindung betrifft eine längenverstellbare Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einem ersten Stangenteil und einem zweiten Stangenteil, welche beiden Stangenteile relativ zueinander über ein Schraubgetriebe in Richtung der Längsachse der Pleuelstange verschiebbar sind, wobei zumindest zwei einander zugewandte Kontaktflächen von, bei einer Längenverstellung sich relativ zueinander bewegenden, Teilen der Pleuelstange aufeinander gleitbar ausgebildet sind.
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Aus den Druckschriften
WO 06/115898 A1 ,
US 5 406 911 A ,
GB 441 666 A ist es bekannt, die Länge von Pleuelstangen mechanisch durch ein Schraubgetriebe zu verstellen. Dabei wird jeweils der Kolben über sein verzahntes Kolbenhemd bzw. über ein Gewinde im Bereich des Kolbenhemdes verdreht.
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Weiters ist es aus der
DE 42 26 361 A1 eine Brennkraftmaschine mit verstellbarer Verdichtung bekannt, bei der die Endstellung des Kolbens veränderbar ist. Die Veränderung des Kolbens wird durch ein verstellbares Kurbelwellenlager oder durch ein verstellbares Hubzapfenlager erreicht, wobei die Verstellung durch einen Exzenter bewirkt wird, welcher mindestens einen radial vorstehenden Kolben aufweist, der in einer radialen Erweiterung des Exzenterscheibenlagers hydraulisch verschiebbar ist.
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Bekannte längenverstellbare Pleuelstangen, bei denen die Längenverstellung durch ein Schraubgetriebe erfolgt, haben den Nachteil, dass ein relativ großer konstruktiver Aufwand für die Betätigung erforderlich ist. Reibungsbedingt und auf Grund der auftretenden hohen Kräfte sind die Teile des Schraubgetriebes einem hohen Verschleiß unterworfen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, auf möglichst einfache Weise eine rasche und verschleißarme Veränderung des Verdichtungsverhältnisses bei einer Hubkolbenmaschine zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest eine der beiden Kontaktflächen eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweist.
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Die reibungsmindernde Beschichtung ermöglicht es, den gewünschten Verstellweg der Pleuelstange in ausreichend kurzer Zeit zu gewährleisten. Durch die reibungsmindernde Beschichtung kann darüber hinaus der Verschleiß von Reibpartnern beim Schraubgetriebe der Pleuelstange wesentlich vermindert werden.
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Insbesondere ermöglicht es die Beschichtung, nicht-selbsthemmende oder selbsthemmende Schraubgetriebe in der erfindungsgemäßen Pleuelstange zum Einsatz zu bringen:
Soll nämlich die Längenverstellung der Pleuelstange aktiv durch einen Aktuator erfolgen, welcher das Schraubgetriebe antreibt, so müssen die hierfür benötigten Drehmomente, welche vorzugsweise aus dem Druck eines Hydraulikmediums abgeleitet werden, insbesondere aus dem Schmieröl einer Hubkolbenmaschine, so gering wie möglich gehalten werden, da der breitstellbare Druck des Hydraulikmediums begrenzt ist. Auch die Verwirklichung eines nicht-selbsthemmenden Schraubgetriebes für eine passive Verstellung der Pleuelstangenlänge über Gas- und Massenkräfte einer Hubkolbenmaschine wird durch eine Verringerung der Reibung zwischen den Reibpartnern wesentlich vereinfacht.
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Unter einem Schraubgetriebe wird hier ein zur Änderung von Bewegungsgrößen dienendes Getriebe verstanden, bei dem eine translatorische Bewegung eines verschiebbaren Bauteils entlang einer Hubachse in eine rotatorische Bewegung eines verdrehbaren Bauteils um eine Drehachse bzw. eine rotatorische Bewegung eines verdrehbaren Bauteils in eine translatorische Bewegung eines verdrehbaren Bauteils geändert wird, wobei miteinander korrespondierende Wirkflächen der beiden koaxialen Bauteile aneinander entlang gleiten. Die Wirkflächen sind dabei von der gemeinsamen Dreh- bzw. Hubachse entfernt, einerseits im Bereich des äußeren Umfanges des einen – beispielsweise verschiebbaren - Bauteiles, und andererseits im Bereich des inneren Umfanges des anderen – beispielsweise verdrehbaren - Bauteils angeordnet. Die korrespondierenden Wirkflächen weisen eine definierte Steigung auf und können durch ein- oder mehrgängige Gewinde oder durch Schrägverzahnungen der Bauteile gebildet werden. Somit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die die Gewindespindel ein Außengewinde bzw. eine Außenschrägverzahnung und die korrespondierende Spindelmutter ein Innengewinde bzw. eine Innenschrägverzahnung aufweist. Auch andere Ausführungsformen, beispielsweise mit Kugelumlaufgetriebe, sind möglich.
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Die hier verwendeten Begriffe Gewinde, Gewindespindel und Spindelmutter sind somit keinesfalls auf schraubenförmige Gewindeformen einschränkend zu verstehen, sondern umfassen selbstverständlich Ausführungen, bei denen die Gewindeformen durch Schrägverzahnungen gebildet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Schraubgetriebe, welches zumindest zwei miteinander über einander zugewandte Kontaktflächen im Eingriff stehende, relativ zueinander verdrehbare Getriebeteile auf, wobei einem ersten Getriebeteil eine erste Kontaktfläche und einem zweiten Getriebeteil eine zweite Kontaktfläche zugeordnet ist. Einer der beiden Getriebeteile ist als Spindelmutter und der andere Getriebeteil als Gewindespindel ausgebildet. Eine rasche und verschleißarme Verstellung des Verdichtungsverhältnisses kann gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert werden, wenn die erste und/oder zweite Kontaktfläche eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweist.
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Das Schraubgetriebe weist vorzugsweise zumindest zwei miteinander über einander zugewandte Kontaktflächen im Eingriff stehende, relativ zueinander verdrehbare Getriebeteile auf, wobei zumindest einer der beiden Getriebeteile über eine dritte Kontaktfläche gleitend an einer fest mit einem der beiden Stangenteile verbundenen oder verbindbaren vierten Kontaktfläche gelagert ist. Günstigerweise ist einer der beiden Getriebeteile als Spindelmutter und der andere Getriebeteil als Getriebespindel ausgebildet ist. Erfindungsgemäß weist die dritte und/oder vierte Kontaktfläche eine reibungsvermindernde Beschichtung auf. Somit kann die Reibung und der Verschleiß zwischen der dritten und vierten Kontaktfläche wesentlich vermindert werden, wodurch das Ansprechverhalten und die Lebensdauer der Pleuelstange entscheidend erhöht werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest eine reibmindernde Beschichtung durch eine physikalische Gasphasenabscheidungsschicht gebildet ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest eine reibmindernde Beschichtung durch eine amorphe Kohlenstoffschicht gebildet ist.
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Weiters kann im Rahmen der Erfindung stattdessen oder zusätzlich vorgesehen sein, dass zumindest eine reibmindernde Beschichtung durch eine nitrierte oder phosphatierte Oberflächenschicht gebildet ist.
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Um den gewünschten Verstellweg in ausreichend kurzer Zeit zu gewährleisten, kann es entscheidend sein, den Reibwert der beiden Reib-Partner- beispielsweise der Spindelmutter und Gewindespindel- und auch die axialen Auflageflächen der Spindelmutter auf einem möglichst niedrigen Niveau zu halten.
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Dazu werden die Kontaktflächen der Reibpartner mit einer PVD (physical vapour deposition) Beschichtung, einer DLC (diamond like carbon) Bechichtung und/oder. einer entsprechend nitrierten und/oder phosphatierten Oberfläche hergestellt. Diese hat neben der reibungsreduzierenden Wirkung auch verschleißhemmende Wirkung.
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Aufgrund der reibungsreduzierenden Beschichtung oder Oberflächenbehandlung lassen sich kleinere Gewindesteigungen bei gleichem Verstellweg pro Impuls realisieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele, welches in den Figuren dargestelllt ist, näher erläutert.
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Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Pleuelstange in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in 2,
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2 diese Pleuelstange in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
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3 eine Detail der in 4 dargestellten Pleuelstange und
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4 einen Aktuator dieser Pleuelstange in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV in 3.
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine längenverstellbare Pleuelstange 1 für eine Hubkolbenmaschine, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, in einer beispielhaften Ausführung. Dabei ist in 4 in der linken Bildhälfte die Pleuelstange 1 mit minimaler Länge und in der rechten Bildhälfte mit maximaler Länge dargestellt.
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Die Pleuelstange 1 weist einen ersten Stangenteil 2 im Bereich eines großen Pleuelauges 3 und einen zweiten Stangenteil 4 im Bereich eines kleinen Pleuelauges 5 auf, wobei das große Pleuelauge 3 ein Kurbelzapfenlager zur Verbindung mit einer nicht weiter dargestellten Kurbelwelle und das kleine Pleuelauge 5 ein Kolbenbolzenlager zur Verbindung mit einem nicht weiter dargestellten Kolben ausbildet. Die beiden Stangenteile 2, 4 können über ein Schraubgetriebe 6 relativ zueinander in Richtung der Längsachse 1a der Pleuelstange 1 verschoben werden. Das Schraubgetriebe 6 weist einen ersten Getriebeteil 7 und einen mit dem ersten Getriebeteil 7 im Eingriff stehenden zweiten Getriebeteil 8 auf, wobei einer der beiden Getriebeteile 7, 8 als Spindelmutter 9 und der andere Getriebeteil 8, 7 als Getriebespindel 10 ausgebildet ist. Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsvariante ist der erste Getriebeteil 7 als hülsenartige Spindelmutter 9 und der zweite Getriebeteil 8 als Getriebespindel 10 ausgebildet.
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Zur Betätigung des Schraubgetriebes 6 ist in der Pleuelstange 1 ein hydraulischer Aktuator 11 angeordnet.
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Ein Aktuator 11 ist hierbei eine hydraulische Steuereinrichtung und kann das Schraubgetriebe als hydraulische Sperreinrichtung – passiv – blockieren oder als hydraulischer Antrieb ein ausreichend hohes Drehmoment auf das Schraubgetriebe 6 aufbringen, um – aktiv – eine Längenverstellung der Pleuelstange 1 zu bewirken. Die Verwendung als Sperreinrichtung oder Antrieb hängt hierbei insbesondere davon ab, wann und mit welchem Druck der Aktuator 11 mit Hydraulikmedium, insbesondere Öl, versorgt wird.
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Der Aktuator 11 weist zumindest eine Aktuatorstufe 12; 12a, 12b auf. Dabei ist ein innerer Drehschieberteil 14a, 14b in einem äußeren Drehschieberteil 15a, 15b angeordnet. Einer der beiden Drehschieberteile 14a, 15a; 14b, 15b ist relativ zum anderen Drehschieberteil 15a, 14a; 15b, 14b drehbar um eine Drehachse 13 ausgebildet und drehfest mit dem ersten Getriebeteil 7 oder dem zweiten Getriebeteil 8 verbunden. Die Drehachse 13 ist beispielsweise koaxial zur Längsachse 1a der Pleuelstange ausgebildet. Die relative Drehbewegung zwischen dem inneren und dem äußeren Drehschieberteil 14a, 15a; 14b, 15b wird durch radiale Drehkolben 16, 17 begrenzt, wobei jeder Drehkolben 16, 17 zwei voneinander abgewandte Druckseiten aufweist. Jede Druckseite grenzt an einen vom inneren und äußeren Drehschieberteil 14a, 15a; 14b, 15b aufgespannten Arbeitsraum 18b, 19b. Die Arbeitsräume 18b, 19b jeder Aktuatorstufe 12a, 12b stehen über Steuerkanäle 20a, 20b mit Steueröffnungen 21; 21a, 21b eines im ersten Stangenteil 2 angeordneten Schieberventils 22a, 22b in Verbindung, welches jeweils einen in einem Steuerzylinder 23a, 23b – beispielsweise normal zur Längsachse 1a der Pleuelstange 1 – verschiebbar gelagerten Steuerkolben 24a, 24b aufweist, der die Steueröffnungen 21a, 21b auf- oder zusteuert. Jeder Steuerkolben 24a, 24b ist durch den im jeweiligen Steuerraum 25 anliegenden Hydraulikmediumdruck, insbesondere Öldruck, entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 26 auslenkbar.
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Statt des Schieberventils oder zusätzlich zu dem Schieberventil 22a, 22b kann auch ein Schaltventil (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welches entweder die Versorgung des Schieberventils 22a, 22b oder des Aktuators 11 selbst mit Hydraulikmedium kontrolliert.
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Vorzugsweise weist ein solches Schaltventil zwei Schaltstellungen auf, nämlich eine erste Schaltstellung, in welcher das Schieberventil 22a, 22b oder der Aktuator 11 drainiert wird, und eine zweite Schaltstellung, in welcher das Schieberventil und/oder der Aktuator 11 mit einem Druck des Hydraulikmediums beaufschlagt wird und daher Hydraulikmedium zugeführt wird. Bevorzugter weist ein solches Schaltventil zusätzlich eine dritte, neutrale Schaltstellung auf, in welcher die der Zu- und Abfluss von Hydraulikmedium zu dem Schieberventil 22a, 22b und/oder dem Aktuator 11 blockiert wird und daher der jeweils vorliegende Schaltzustand des Schieberventils 22a, 22b und/oder des Aktuators ohne eine Betätigung des Schaltventils erhalten bleibt.
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Das Schaltventil kann dabei grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein. Wichtig ist lediglich, dass die erforderliche Funktion erfüllt wird. Insbesondere kann das Schaltventil als elektromagnetisch betätigbares, hydraulisches Schaltventil ausgebildet sein, wobei das Schaltventil in diesem Fall besonders bevorzugt elektrisch schaltbar ist und insbesondere mittels einer zusätzlich in der Pleuelstange angeordneten, hier nicht dargestellten Induktionseinrichtung über eine im Kurbelgehäuse vorzugsweise ortsfest angeordnete Magneteinrichtung betätigt werden kann, mittels derer ein Strom induziert werden kann, welcher zur Betätigung des Schaltventils dient.
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Durch das Vorsehen des Schaltventils kann die Erfindung statt durch eine Veränderung des Hydraulikmediumdrucks auch mit einem einzigen Hydraulikmediumdruck bzw. unabhängig von diesem betrieben werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Schraubgetriebe 6 nicht selbsthemmend ausgebildet sein soll, da die Reibkräfte im Schraubgetriebe 6, welche wenigstens zu einer Hemmung beitragen, erfindungsgemäß vermindert werden. Eine Längenverstellung der Pleuelstange 1 kann auf diese Weise allein durch die auf die Pleuelstange wirkenden Massen- und/oder Gaskräfte bewirkt werden. Daher braucht nur ein geringer oder kein Öldruck bereitgestellt werden.
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Der erste Getriebeteil 7 bzw. zweite Getriebeteil 8 ist drehbar und in Richtung der Längsachse 1a der Pleuelstange 1 unverschiebbar im ersten Stangenteil 2 bzw. zweiten Stangenteil 4 gelagert. Der zweite Getriebeteil 8 bzw. erste Getriebeteil 7 ist fest mit dem zweiten Stangenteil 4 bzw. dem ersten Stangenteil 2 verbunden. Gleichzeitig mit dem inneren bzw. äußeren Drehschieber 14, 15 wird der erste bzw. zweite Getriebeteil 7, 8 relativ zum anderen zweiten bzw. ersten Getriebeteil 8, 7 verdreht. Durch die ineinander greifenden Schraubengewinde der Spindelmutter 9 und der Gewindespindel 10 führt die Drehbewegung des ersten bzw. zweiten Getriebeteils 7, 8 zu einer Hubbewegung des jeweils anderen Getriebeteils 8, 7 samt dem zweiten Stangenteil 4 bzw. ersten Stangenteil 2 der Pleuelstange 1 und somit zu einer Längenverstellung der Pleuelstange 1. Eine Verdrehung des zweiten Getriebeteils 8 wird durch eine Verdrehsicherungseinrichtung 27 verhindert. Die Verdrehsicherungseinrichtung 27 kann auch die Hubbewegung der Stangenteile 2, 4 relativ zueinander begrenzen. Die Verdrehsicherungseinrichtung 27 kann beispielsweise durch einen im ersten Stangenteil 2 normal zur Längsachse 1a fest angeordneten Bolzen 27a gebildet sein, welcher in eine Längsnut 27b des zweiten Stangenteils 4 eingreift.
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In den 1, 2 und 3 ist eine erfindungsgemäße Pleuelstange 1 dargestellt, bei der der Aktuator 11 zwei übereinander in der Pleuelstange 1 angeordnete Aktuatorstufen 12a, 12b aufweist, wobei jede Aktuatorstufe 12a, 12b einen inneren Drehschieberteil 14a, 14b und einen äußeren Drehschieberteil 15a, 15b aufweist. Der erste innere Drehschieberteil 14a der (in den 1, 2 und 4 unteren) ersten Aktuatorstufe 12a ist mit dem ersten Stangenteil 2 drehfest verbunden. Der erste äußere Drehschieberteil 15a der ersten Aktuatorstufe 12a ist um die Drehachse 13 relativ zum ersten inneren Drehschieberteil 14a der ersten Aktuatorstufe 12a drehbar gelagert und drehfest mit dem zweiten inneren Drehschieberteil 14b der (in den 1, 2 und 3 oberen) zweiten Aktuatorstufe 12b verbunden. Der zweite äußere Drehschieberteil 15b der zweiten Aktuatorstufe 12b ist relativ zum zweiten inneren Gehäuseteil 14b der zweiten Aktuatorstufe 12b drehbar um die Drehachse 13 angeordnet und mit dem hülsenartigen ersten Getriebeteil 7 fest verbunden. Der erste Getriebeteil 7 ist drehbar und hubfest im ersten Stangenteil 2 gelagert und bildet eine Spindelmutter 9 aus, welche in eine Getriebespindel 10 eingreift. Die Getriebespindel 10 wird durch den fest mit dem zweiten Stangenteil 4 verbundenen – oder durch diesen ausgebildeten – zweiten Getriebeteil 8 des Schraubgetriebes 6 gebildet.
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Die erste Aktuatorstufe 12a wird über eine Distanzhülse 33 mittels einer Befestigungsschraube 29 am ersten Stangenteil 2 befestigt. Der erste Getriebeteil 7 wird samt dem zweiten Stangenteil 4 in den Führungszylinder 2a des ersten Stangenteils 2 von oben eingeschoben und drehbar gelagert. Mit einer Hohlschraube 30 erfolgt eine Sicherung in axialer Richtung, wobei zwischen der Hohlschraube 30 und dem ersten Getriebeteil 7 eine Distanzhülse 31 vorgesehen sein kann. Mit der Verdrehsicherungseinrichtung 27 wird die Drehposition des zweiten Stangenteils 4 relativ zum ersten Stangenteil 2 fixiert. Bei der dargestellten Ausführung ist der durch eine Getriebespindel 10 gebildete zweite Getriebeteil 8 einteilig mit dem zweiten Stangenteil 4 ausgeführt.
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In den 1, 2 und 3 sind jeweils nur zwei Aktuatorstufen 12a, 12b dargestellt. Es versteht sich von selbst, dass auch mehr als zwei Aktuatorstufen hintereinander geschaltet werden können.
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Ausführungsvarianten mit zwei oder mehr Aktuatorstufen 12a, 12b haben den Vorteil, dass insgesamt größere Verstellwinkelbereiche der Aktuatoren 11, größere Hubwege und somit größere Längenänderungen der Pleuelstange 1 realisiert werden können, da sich die Verstellwinkelbereiche der einzelnen Aktuatorstufen 12a, 12b addieren.
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In 4 ist eine zweite Aktuatorstufe 12b mit einem inneren Drehschieberteil 14b und einem äußeren Drehschieberteil 15b der in 3 gezeigten Pleuelstange 1 dargestellt, wobei sowohl der innere Drehschieberteil 14b, als auch der zweiten äußere Drehschieberteil 15b jeweils zwei diametral bezüglich der Drehachse 13 angeordnete Drehkolben 16, 17 aufweisen. Es sind zwei Verdrehendstellungen E1, E2 des zweiten inneren Drehschieberteiles 14b relativ zum zweiten äußeren Drehschieberteils 15b dargestellt. Mit dieser Anordnung lässt sich beispielsweise ein Verstellwinkel α von etwa 125° pro Aktuatorstufe 12a, 12b verwirklichen.
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Erfindungsgemäß sind Kontaktflächen von bei einer Längenverstellung relativ zueinander gleitende bewegenden Teilen der Pleuelstange mit einer reibungs- und verschleißmindernden Beschichtung versehen. So kann eine erste Kontaktfläche 51 und eine zweite Kontaktfläche 52 zwischen dem ersten Getriebeteil 7 und dem zweiten Getriebeteil 8 jeweils eine reibungsvermindernde Beschichtung aufweisen, wobei die erste Kontaktfläche 51 im Ausführungsbeispiel durch die Gewindefläche der Spindelmutter 9 und die zweite Kontaktfläche 52 durch die Gewindefläche der Getriebespindel 10 gebildet ist.
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Die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch den ersten Getriebeteil 7 gebildete Spindelmutter 9 weist an ihren beiden Stirnseiten 9a, 9b dritte Kontaktflächen 53, 54 auf, welche an korrespondierenden vierten Kontaktflächen 55, 56 gleitend geführt sind. Die vierten Kontaktflächen 55, 56 bilden dabei axiale Drucklager für die Spindelmutter 9 aus. Die mit der dritten Kontaktfläche 53 der ersten Stirnseite 9a korrespondierende – in 3 untere – vierte Kontaktfläche 55 wird im vorliegenden Fall durch den Drehschieberteil 15b des Aktuators 11gebildet. Die mit der dritten Kontaktfläche 54 der zweiten Stirnseite 9b korrespondierende – in 3 obere – vierte Kontaktfläche 56 wird im vorliegenden Fall durch die Distanzhülse 31 gebildet, welche mit dem ersten Stangenteil 2 fest verbunden ist.
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Die verschleißmindernde Schicht der Kontaktflächen 51, 52, 53, 54, 55, 56 können jeweils durch eine physikalische Gasphasenabscheidungsschicht (PVD – physical vapour deposition), eine amorphe Kohlenstoffschicht (DLC – diamond like carbon), oder eine nitrierte bzw. phosphatierte Oberflächenschicht gebildet sein.
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Durch die reibungsreduzierende Beschichtung bzw. die Oberflächenbehandlung lassen sich kleinere Gewindesteigungen bei gleichem Verstellweg pro Impuls realisieren. Gleichzeitig ist eine lange, verschleißarme Verwendung mit gleichbleibenden Resultaten möglich.
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Bei den im Vorhergehenden exemplarisch erläuterten Ausführungsvarianten handelt es sich lediglich um Beispiele, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einem exemplarischen Ausführungsvariante gegeben, wobei Änderungen, insbesondere Kombinationen von einzelnen Merkmalen verschiedener Ausführungsvarianten, im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile vorgenommen werden können, ohne den offenbarten Schutzbereich zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 06/115898 A1 [0002]
- US 5406911 A [0002]
- GB 441666 A [0002]
- DE 4226361 A1 [0003]
