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Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine, bei der es sich insbesondere um eine Hubkolbenbrennkraftmaschine handelt, wobei die Hubkolbenmaschine ein variables Verdichtungsverhältnis (VCR) aufweist, das sich insbesondere stufenlos einstellen lassen kann.
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Hubkolbenmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis (VCR – Variable Compression Ratio) sind grundsätzlich bekannt. Dabei kann es sich bei einer derartigen Hubkolbenmaschine um ein angetriebenes Aggregat oder aber auch um ein antreibendes Aggregat handeln. Die Hubkolbenmaschine kann also beispielsweise als Pumpe ausgeführt sein, die angetrieben wird, um ein Medium zu fördern bzw. mit Druck zu beaufschlagen. Alternativ kann die Hubkolbenmaschine aber auch beispielsweise als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgeführt sein, die auf einen Antriebsstrang wirkt.
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Hubkolbenmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis basieren im Regelfall darauf, dass sich die Position des Verdichtungskolbens, die dieser beispielsweise in seinem oberen Totpunkt einnimmt, verändern lässt. Dies kann durch eine verstellbar gelagerte Kurbelwelle realisiert werden, die insbesondere exzentrisch verstellbar gelagert sein kann. Unabhängig davon, dass die Kurbelwelle bei ihrer Rotation den Verdichtungskolben im Zylinder des Zylinderkurbelgehäuses bidirektional bewegt, verschiebt sie bei Verstellung ihrer Lagerung den Verdichtungskolben zusätzlich, um das Verdichtungsverhältnis zu verändern.
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Hubkolbenmaschinen mit exzentrisch verstellbar gelagerten Kurbelwellen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses sind grundsätzlich bekannt. Dabei muss dafür gesorgt werden, dass die Verstellung der Kurbelwelle zum Antrieb- bzw. Abtriebsstrang hin ausgeglichen wird. In
DE 10 2008 003 109 A1 wird zu diesem Zweck eine Doppelgelenk-Kardanwelle eingesetzt, die, von dem Zylinderkurbelgehäuse aus betrachtet, hinter einem mit der Kurbelwelle gekoppelten Schwungrad angeordnet ist und die Verbindung der Hubkolbenmaschine mit beispielsweise einem Getriebe realisiert. Ein gewisser Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass dadurch, dass das Schwungrad von der Kurbelwelle ausgehende Schwingungsbelastungen kompensiert, die Doppelgelenk-Kardanwelle selbst weniger stark mit von der Kurbelwelle herrührenden Schwingungen belastet wird. Allerdings erfolgt dies auf Kosten einer nicht mehr möglichen, bzw. nur noch eingeschränkt möglichen Standardisierung von Bauteilen für Hubkolbenmaschinen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hubkolbenmaschine mit variablem, insbesondere stufenlos einstellbarem Verdichtungsverhältnis zu schaffen, die über eine kompakte Bauweise verfügt, und eine Standardisierung von Bauteilen für Hubkolbenmaschinen ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Hubkolbenmaschine, insbesondere Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit variablem, insbesondere stufenlos einstellbarem Verdichtungsverhältnis, mit
- – einem Zylinderkurbelgehäuse mit einer verstellbar, insbesondere exzentrisch verstellbar gelagerten Kurbelwelle, mindestens einem bewegbar an der Kurbelwelle gelagerten Pleuel und mit einem an dem Pleuel bewegbar gelagerten Verdichtungskolben, der in einem Zylinder des Zylinderkurbelgehäuses bidirektional bewegbar geführt ist,
- – wobei die Kurbelwelle ein aus dem Zylinderkurbelgehäuse herausgeführtes erstes Ende aufweist, und
- – einem drehbaren Schwungrad, das mit dem ersten Ende der Kurbelwelle in Wirkverbindung steht.
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Bei einer derartigen Hubkolbenmaschine ist erfindungsgemäß vorgesehen,
- – dass an dem Zylinderkurbelgehäuse um das erste Ende der Kurbelwelle herum ein mit dem Zylinderkurbelgehäuse verbundenes Wellengehäuse angeordnet ist,
- – dass das Schwungrad an dem Wellengehäuse ortsfest angeordnet ist und
- – dass in dem Wellengehäuse eine das erste Ende der Kurbelwelle mit dem Schwungrad verbindende Versatzausgleichswelle zum Ausgleich eines achsparallelen Versatzes des ersten Endes der verstellbaren Kurbelwelle gegenüber dem ortsfesten, drehbar gelagerten Schwungrad angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß befindet sich die Versatzausgleichswelle nunmehr zwischen der Kurbelwelle und dem Schwungrad. Das Schwungrad, das die Formen an sich bekannter Schwungräder wie z. B. Einmassen- oder Zweimassen-Schwungräder aufweisen kann, ist dabei ortsfest und drehbar gelagert an und/oder in einem Wellengehäuse angeordnet, das wiederum mit dem Zylinderkurbelgehäuse verbunden und/oder mit diesem einteilig ausgebildet ist. Der Versatz zwischen Kurbelwelle uns Schwungrad erfolgt innerhalb des Wellengehäusen und zwar durch die Versatzausgleichswelle, die beispielsweise als flexible Welle, (Kreuz-)Gelenkwelle, als Welle mit Gleichlaufgelenken, Podegelenken o. dgl., aber auch z. B. als (Doppelgelenk-)Kardanwelle ausgebildet sein kann.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion hat den Vorteil, dass die Position des Schwungrads für die Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine unabhängig davon, ob diese mit einem variablen oder feststehenden Verdichtungsverhältnis arbeitet, stets gleich ist. Damit ist die Schnittstelle von Hubkolbenmaschinen gleichen Typs, die sich allerdings noch darin unterscheiden, ob sie über ein feststehendes oder einstellbares Verdichtungsverhältnis verfügen, gleich. Das bringt eine Standardisierung der Bauteile des Antriebs- bzw. des Abtriebsstrangs von Hubkolbenmaschinen mit sich, was wiederum hinsichtlich Gestehungskosten dieser Bauteile von Vorteil ist. Man könnte den Motor-Getriebe-Verbund einer Hubkolbenmaschine ohne VCR und somit ohne Versatzausgleichswelle durchaus kürzer gestalten. Wichtig ist, dass erfindungsgemäß für den Motor-Getriebe-Verbund von Hubkolbenmaschinen mit und ohne VCR die gleichen Elemente verwendet werden können und somit keine Sonderkonstruktionen benötigt werden.
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Die Positionierung der Versatzausgleichswelle zwischen Kurbelwelle und Schwungrad, wie es der Erfindung nach vorgeschlagen wird, ermöglicht es beispielsweise, eine gemeinsame Baueinheit aus Hubkolbenmaschine und Schwungrad zu schaffen, bei dessen Position unabhängig davon, ob die Hubkolbenmaschine mit feststehendem oder variablen Verdichtungsverhältnis arbeitet, immer gleich ist. Damit kann die Hubkolbenmaschine mit Versatzausgleichswelle und Schwungrad als eine übergeordnete Baueinheit gefertigt werden, deren Schnittstelle zu angrenzenden Bauteilen immer gleich ist. Beispielsweise kann die Versatzausgleichswelle einheitlich zusammen mit dem Schwungrad am Zylinderkurbelgehäuse angeordnet sein, und zwar unabhängig davon, ob die Hubkolbenmaschine mit exzentrisch gelagerter Kurbelwelle versehen ist oder nicht. Insbesondere für Anbauteile kann aufgrund dieser Anordnung der Versatzausgleichswelle zwischen Kurbelwelle und Schwungrad eine Standardisierung hinsichtlich übriger Bauteile wie aber auch hinsichtlich der Anordnung im Fahrzeug bezüglich möglicher Anschlüsse, Befestigung, Dämpfer und Ähnlichem erfolgen.
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Bei der Hubkolbenmaschine kann es sich entweder um ein angetriebenes Aggregat oder um ein antreibendes Aggregat handeln, wie weiter oben bereits beschrieben.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Versatzausgleichswelle ein kurbelwellen- oder primärseitiges Ende und ein schwungrad- oder sekundärseitiges Ende aufweist und dass das sekundärseitige Ende der Versatzausgleichswelle oder das Schwungrad an dem Wellengehäuse drehbar gelagert ist.
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Zwecks Schmierung von Gelenken, Lagern o. dgl. im Wellengehäuse und/oder zur Kühlung dieser bzw. anderer Komponenten des Wellengehäuses ist es von Vorteil, wenn die Versatzausgleichswelle als Hohlwelle ausgebildet ist und in die Hohlwelle eine von dem ersten Ende der Kurbelwelle axial abstehende Fluidschmiermittellanze zur Versorgung der Hohlwelle mit Fluidschmiermittel, insbesondere Öl, aus dem Zylinderkurbelwellengehäuse hineinragt. Die Abdichtung des Wellengehäuses nach außen erfolgt zweckmäßigerweise durch die entsprechende Ausführung der Schwungrad-Drehdurchführung durch das Wellengehäuse. In das Wellengehäuse eingebrachtes Fluidschmiermittel, insbesondere Öl aus dem Zylinderkurbelgehäuse, wird vom Wellengehäuse aus wiederum zum Zylinderkurbelgehäuse rückgeführt. Wie bereits oben erwähnt, ist es von Vorteil, wenn die Versatzausgleichswelle als Doppelgelenk-Kardanwelle mit einem kurbelwellen- oder primärseitigen Drehgelenk und einem schwungrad- oder sekundärseitigem Drehgelenk ausgebildet ist, wobei das primärseitige Drehgelenk eine mit dem ersten Ende der Kurbelwelle verbundene primärseitige Gelenkgabel mit einem Kreuzzapfengelenkteil und das sekundärseitige Drehgelenk eine mit dem Schwungrad verbundene sekundärseitige Gelenkgabel mit einem Kreuzzapfengelenkteil aufweist und wobei zwischen dem primärseitigen Drehgelenk und dem sekundärseitigen Drehgelenk ein deren Kreuzzapfengelenkteile verbindendes Mittelstück angeordnet ist. Alternativ können gekapselte und fettgeschmierte Lager eingesetzt werden. Die äußeren Lager zum Abstützen der Versatzausgleichswelle können vom Motorölkreislauf geschmiert werden oder ebenfalls als gekapselte, fettgeschmierte Lager ausgeführt sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform ferner vorgesehen sein, dass die sekundärseitige Gelenkgabel von einer drehbar im Wellengehäuse gelagerten Hülse aufgenommen ist oder dass Hubkolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Gelenkgabel direkt mit dem Schwungrad verbunden ist.
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Sofern die Versorgung von Komponenten des Wellengehäuses mit Fluidschmiermittel und/oder Kühlmittel unter Verwendung der unbeschriebenen Lanze erfolgt, sind die Gelenkgabeln, die Kreuzzapfengelenkteile und das Mittelstück der Doppelgelenk-Kardanwelle jeweils einem zentralen Freiraum zur Aufnahme der Fluidschmiermittellanze versehen.
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Anstelle einer Doppelkadergelenkwelle kann als Versatzausgleichswelle auch eine flexible Welle verwendet werden.
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Schließlich sein noch angemerkt, dass das Schwungrad in Wirkverbindung mit einem Getriebe bringbar ist, wobei das Sprungrad je nach Ausführung der Hubkolbenmaschine entweder mit der Eingangs- oder der Ausgangswelle eine Getriebes verbindbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 schematisch den Abtriebsstrang einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, wie sie beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet wird und zwar zu Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Anordnung der Versatzausgleichswelle zwischen Zylinderkurbelgehäuse und Schwungrad,
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2 einen Längsschnitt durch das die Versatzausgleichswelle aufnehmende Wellengehäuse, das an ein ebenfalls im Längsschnitt und perspektivisch in Teilansicht gezeigtes Zylinderkurbelgehäuse angeflanscht ist,
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3 eine perspektivische Darstellung der Doppelgelenk-Kardanwelle in Kompakter Bauausführung und
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4 eine Seitenansicht der Doppelgelenk-Kardanwelle in Explosionsdarstellung.
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In 1 ist schematisch der Abtriebsstrang einer Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 mit exzentrisch gelagerter Kurbelwelle, der ein Schwungrad 14 aufweist, welches in Wirkverbindung mit einem Getriebe 16 steht. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 weist ein Zylinderkurbelgehäuse 18 auf (siehe auch 2), aus dem die exzentrisch gelagerte Kurbelwelle 12 mit ihrem ersten Ende 20 herausgeführt ist. Die Kurbelwelle 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit mehreren Pleuels 22 und mit mehreren von diesen getragenen Verdichtungskolben 24 versehen, die jeweils in ihnen zugordneten Zylindern 26 des Zylinderkurbelgehäuses 18 bidirektional bewegbar geführt sind.
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Die Besonderheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine 10 gemäß 1 besteht darin, dass für den Ausgleich des Versatzes der exzentrisch gelagerten, verstellbaren Kurbelwelle 12 im Bereich zwischen dem Schwungrad 14 und der Kurbelwelle 12 gesorgt wird. In diesem Bereich befindet sich ein (Versatzausgleichs-)Wellengehäuse 28, an dem das Schwungrad 14 drehbar gelagert ist. Das Drehlager 30 ist dabei ortsfest am Wellengehäuse 28 angeordnet. Zwischen dem Schwungrad 14 und dem aus dem Zylinderkurbelgehäuse 18 herausgeführten ersten Ende 20 der Kurbelwelle 12 befindet sich eine Versatzausgleichswelle 32, die in diesem Ausführungsbeispiel als Doppelgelenk-Kardanwelle ausgebildet ist Diese Versatzausgleichswelle 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hohlwelle ausgeführt, wobei in diese Hohlwelle zum Einbringen von Schmiermittel für die Gelenke der Doppelgelenk-Kardanwelle eine Fluidschmiermittellanze 34 hineinragt, die in Fluidverbindung mit einem im ersten Ende 20 der Kurbelwelle 12 endenden Fluidschmiermittelkanal 36 steht.
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Anhand des Pfeils 38 der 2 ist angedeutet, dass die Kurbelwelle 12 höhenverstellbar ist, was durch eine exzentrische Lagerung der Kurbelwelle 12 realisiert wird. Derartige exzentrische Kurbelwellenlagerungen sind bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit insbesondere stufenlosen einstellbarem Verdichtungsverhältnis grundsätzlich bekannt, weshalb an dieser Stelle auf diesen Aspekt nicht weiter eingegangen werden soll. Durch die Doppelgelenk-Kardanwelle 33 wird der achsparallele Versatz der Mittelachse der Kurbelwelle 12 zur Drehachse ihres Exzenterlagers 35 relativ zum insoweit feststehenden Schwungrad 14 kompensiert. Die Anordnung dieser Doppelgelenk-Kardanwelle 33 zwischen Kurbelwellenende 20 und Schwungrad 14 führt zu einer kompakten Bauform und vor allem dazu, dass das Interface zwischen Schwungrad 14 zu weiteren Bauteilen des Abtriebsstrangs unabhängig davon stets gleich ist, ob das Schwungrad 14 im Falle einer Hubkolbenbrennkraftmachine ohne exzentrisch gelagerter Kurbelwelle 12 starr oder im Falle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit exzentrisch gelagerter Kurbelwelle 12 über die Versatzausgleichswelle 32 mit den Anbauteilen zusammenwirkt.
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Die Verbindung der Doppelgelenk-Kardanwelle 33 mit der Kurbelwelle 12 und/oder mit der (nicht dargestellten) Getriebeeingangswelle kann wie dargestellt verschraubt sein. Auch andere Verbindungsformen sind vorstellbar, wie z. B. Profilverzahnungen, Hirtz-Verzahnung, Pressverbände etc. (Form oder Kraftschlüsse).
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Anhand der 3 und 4 soll nachfolgend noch kurz auf die Konstruktion der Doppelkardangelenkwelle 33 eingegangen werden. Die Doppelgelenk-Kardanwelle 33 weist ein kurbelwellen- bzw. primärseitiges Drehgelenk 40 sowie ein Schwungrad- bzw. sekundärseitiges Drehgelenk 42 auf. Das Drehgelenk 40 ist mit einer primärseitigen Gelenkgabel 46 und einem Kreuzzapfengelenkteil 44 versehen, während dementsprechend das sekundärseitige Drehgelenk 42 eine sekundärseitige Gelenkgabel 48 und ein Kreuzzapfengelenkteil 50 aufweist. Die beiden Kreuzzapfengelenkteile 44, 50 sind mittels eines Mittelstücks 52 mechanisch untereinander verbunden.
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Anzumerken sei noch, dass die Abdichtung des Exzenterlagers 35 wegen des Wellengehäuses 28 lediglich auf der ortsfesten Sekundärseite 54 der Doppelgelenk-Kardanwelle 33 erfolgen muss, wo ein Dichtring 56 angeordnet ist. Das Stützlager 58 der Doppelgelenk-Kardanwelle 33 an deren Sekundärseite 54 weist eine Buchse 60 auf, die über das Ende der Doppelgelenk-Kardanwelle 33 gestülpt ist und dieses Ende umgibt, was zu einer kompakten Bauform führt.
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Alternativ zur Fluidschmiermittellanze 34 können die Kreuzzapfengelenke 44 bzw. die Drehgelenke 40, 42 auch versehen sein mit gekapselten Lagern mit Lebensdauerschmierung (z. B. Fett), z. B. mit entsprechenden Additiven im Schmiermittel, durch einen Ölnebel, der aus dem Kurbelgehäuse 18 austritt, und/oder durch Spritzöl von außen, gegebenenfalls mit entsprechenden Fangvorrichtungen am jeweiligen Lagereintritt. Die Schmierung des Stützlagers 58 kann über den Motorölkreislauf und/oder durch gekapselte, fettgeschmierte Lager mit Lebensdauerschmierung erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hubkolbenbrennkraftmaschine
- 12
- Kurbelwelle
- 14
- Schwungrad
- 16
- Getriebe
- 18
- Zylinderkurbelgehäuse
- 20
- Kurbelwellenende
- 22
- Pleuel
- 24
- Verdichtungskolben
- 26
- Zylinder
- 28
- Wellengehäuse
- 30
- Drehlager
- 32
- Versatzausgleichswelle
- 33
- Doppelgelenk-Kardanwelle
- 34
- Fluidschmiermittellanze
- 35
- Exzenterlager der Kurbelwelle
- 36
- Fluidschmiermittelkanal
- 38
- Pfeil
- 40
- primärseitiges Drehgelenk
- 42
- sekundärseitiges Drehgelenk
- 44
- Kreuzzapfengelenkteil
- 46
- primärseitige Gelenkgabel
- 48
- sekundärseitige Gelenkgabel
- 50
- Kreuzzapfengelenkteil
- 52
- Mittelstück
- 54
- Sekundärseite der Doppelgelenk-Kardanwelle
- 56
- Dichtring
- 58
- Stützlager auf der Sekundärseite
- 60
- Buchse des Stützlagers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003109 A1 [0004]
