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Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb umfassend eine Kurbelwelle und mindestens ein Pleuel für eine Hubkolbenmaschine.
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Ein Anwendungsfall der Erfindung sind Brennkraftmaschinen mit variablen Triebwerkskomponenten zur Darstellung eines variablen Verdichtungsverhältnisses. Solche Triebwerkskomponenten sind bekannt. Beispielsweise werden in der
DE 10 2013 225 063 A1 und in der
DE 10 2005 055 199 A1 längenvariable Pleuelstangen beschrieben, welche ein hydraulisches System zur Abstützung der Pleuelstangenkraft und zur Variation der Pleuellänge aufweisen. Dieses hydraulische System enthält ein Schaltventil, welches sich auf dem Pleuel befindet. Ein in der Kurbelwelle eingebautes Vorsteuerventil wird eingesetzt, um das Hauptschaltventil des längenvariablen Pleuels zu schalten.
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Längenvariable Pleuelstangen, im Folgenden auch als VCR-Pleuel bezeichnet, stellen vielversprechende Lösungen dar zur Realisierung einer variablen Verdichtung. Die Abkürzung „VCR“ bezeichnet die Variabilität der Verdichtung (VCR = variable compression ratio).
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Es gibt aber noch weitere Lösungen zur Darstellung einer variablen Verdichtung. In der
DE 10 2009 048 172 A1 wird ein Kolben mit variabler Kompressionshöhe beschrieben dessen Druckräume mittels eines fluiddruckbetätigten Schaltventils steuerbar sind. Das Schaltventil wird im Kolbenbolzen angeordnet und umfasst einen fluiddruckbetätigten Kolben. Durch Variation des anliegenden Fluiddruckes wird die Stellung des Schaltventils beeinflusst. Herrscht ein geringer Druck am Steuerkolben des Schaltventils, wird der Steuerkolben durch eine Druckfeder an einen ersten Anschlag gedrückt und das Ventil befindet sich in einer ersten Schaltstellung. Herrscht ein hoher Druck am Steuerkolben des Schaltventils, befindet sich das Ventil in einer zweiten Schaltstellung. Dabei kann das Schaltventil entweder mit dem vorhandenen Schmiersystem der Kolbenmaschine in Fluidverbindung gebracht werden oder es sind zusätzliche Steueröldruckleitungen zwischen dem fluiddruckbetätigten Ventil auf dem Pleuel und der ruhenden Motorstruktur erforderlich.
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Ein großer Vorteil solcher Ansätze besteht darin, dass sich die Änderungen auf den Kurbeltrieb (und teilweise auf die Kolben) beschränken und der Rest der Brennkraftmaschine nahezu unverändert bleibt.
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Der Schmierölversorgungsdruck, im Folgenden als Öldruck bezeichnet, am Ausgang der Schmierölpumpe ist bei modernen Brennkraftmaschinen steuerbar und wird üblicherweise kennfeldgesteuert an den jeweiligen Motorbetriebszustand angepasst. Solche als Regelölpumpen bezeichnete Pumpen gehören zum Stand der Technik. Meistens wird dabei das Fördervolumen pro Pumpenwellenumdrehung variiert, was sich im Zusammenspiel mit dem hydraulischen Widerstand des Schmierölkreislaufes des Motors in einer Variation des Öldruckes äußert. Somit ist es bei Motoren mit Regelölpumpen leicht möglich das Öldruckniveau zur Signalübertragung zu nutzen und dadurch Schaltventile im Pleuel oder im Kolbenbolzen zu stellen.
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In der nachveröffentlichten
DE 10 2017 102 313 A1 der Anmelderin wird ein solches fluiddruckbetätigtes Schaltventil im Detail beschrieben, welches über eine Steuerdruckleitung mit einem Vorsteuerventil in Fluidverbindung steht. Dieses Vorsteuerventil befindet sich vorzugsweise am freien Wellenende der Kurbelwelle in der Nähe der Drehachse. Die Betätigung dieses Ventils erfolgt über einen feststehenden Aktuator. Die genannte Fluidverbindung zwischen Vorsteuerventil und Schaltventil umfasst Bohrungen in der Kurbelwelle und in den Pleueln sowie eine oder mehrere Nuten in den Pleuellagerschalen. Die Nuten in den Pleuellagerschalen verringern die Tragfähigkeit der Pleuellagerung und sind daher nach Möglichkeit zu vermeiden. Die Funktion und das Zusammenwirken von Vorsteuerventil und Schaltventil sind in der genannten Anmeldung im Detail beschrieben. Auf diese Beschreibung wird hiermit Bezug genommen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Die Erfindung betrifft ein System zur Übertragung eines Fluids (Steueröl oder Hydrauliköl) von einer Kurbelwelle auf ein Pleuel einer Hubkolbenmaschine.
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Dabei werden nur sehr geringe Fluidströme gefördert. Teilweise wird letztendlich nur der Druck des Steueröls zur Signalübertragung verwendet und, mit Ausnahme von Leckagen, findet überhaupt kein Fluidtransport statt. Wichtig ist es, eine hydraulische Verbindung zwischen Bauteilen, die sich relativ zueinander bewegen (Kurbelwelle und Pleuel) so zu realisieren, dass die Leckagemengen relativ gering sind. Die Belastbarkeit des Kurbeltriebs soll nicht oder nur unwesentlich verringert werden. Außerdem soll - weil es sich um ein Massenprodukt handelt - der Fertigungsaufwand möglichst gering sein.
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Im Hinblick auf die Erfindung wird häufig der Begriff „Fluidleitung“ verwendet. Dieser Begriff ist funktional auszulegen. Eine Fluidleitung im Sinne der Erfindung kann beispielsweise durch eine Bohrung, eine Nut oder auf andere Weise realisiert werden. Eine Fluidleitung kann auch durch mehrere ineinander mündende Bohrungen realisiert werden, die teilweise nach dem Herstellen der Bohrung wieder verschlossen werden. Damit können Fluidleitungen „um die Ecke“ geführt werden.
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Eine Fluidleitung kann auch erzeugt werden, wenn die Kurbelwelle durch generative Herstellungsverfahren hergestellt wird. Dann entfallen die fertigungstechnischen Restriktionen einer Bohrung und die Gestaltung der Fluidleitung kann weitestgehend frei erfolgen. Vor diesem Hintergrund werden die Begriffe „Fluidleitung“ und „Bohrung“ teilweise synonym verwandt.
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Aus der
DE 10 41 291 A ist eine wälzgelagerte Brennkraftmaschine bekannt bei der das aus dem Hauptlager austretende Öl von einem konzentrisch zum Hauptlagerzapfen montierten Ölsammelring gesammelt und in eine Ölbohrung im Hubzapfen geleitet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fluidverbindung zwischen Kurbelwelle und Pleuel, bzw. zwischen Vorsteuerventil und Schaltventil, darzustellen, ohne die Tragfähigkeit des Pleuellagers zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kurbeltrieb einer Hubkolbenmaschine in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring ermöglicht die Übertragung von Steueröl oder Hydrauliköl von der rotierenden Kurbelwelle auf das Pleuel, ohne die Breite der Lagerschale bzw. der Pleuellagerung auf dem Hubzapfen nennenswert zu verringern. Dadurch wird die Tragfähigkeit der Pleuellagerung auf dem Hubzapfen nicht oder nur in sehr geringem Maße verringert und die mechanische Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Kurbeltriebs bleibt unverändert hoch.
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Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring nutzt dabei die Tatsache aus, dass zwischen der Lagerfläche des Hubzapfens und der Kurbelwange der Kurbelwelle eine Ausrundung vorhanden sein muss, um die Kerbwirkung zu reduzieren. Die Breite dieser Ausrundung beträgt bei PKW-Motoren üblicherweise etwa zwei bis drei Millimeter. Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring hat eine Baubreite von etwa zwei bis drei Millimetern und ist um die Ausrundung herum angeordnet und nutzt somit diesen für die Pleuellagerung nicht verfügbaren Teil des Hubzapfens optimal aus. In anderen Worten: Die Breite der Pleuellagerschale wird nicht oder nur unwesentlich reduziert.
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Weil der erfindungsgemäße Ölübertragungsring ein separates Bauteil ist, ist er fertigungstechnisch sehr gut zu beherrschen. Er wird üblicherweise aus einem Werkstoff wie Messing oder Bronze hergestellt, der sich sehr gut und sehr präzise spanend bearbeiten lässt. Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring hat außerdem eine relativ einfache Geometrie, so dass die Kosten zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings gering sind.
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Der erfindungsgemäße Ölübertragungsring erhält das Steueröl von der Kurbelwelle im Bereich seiner Haltenase. Diese Haltenase ist erforderlich, um einerseits eine Verdrehsicherung zwischen Ölübertragungsring und Kurbelwelle zu gewährleisten. Gleichzeitig wird diese Haltenase auch als Übertragungselement bzw. „hydraulische Kupplung“ zwischen Kurbelwelle und Ölübertragungsring genutzt. Dazu sind nur eine oder wenige Bohrungen in die Haltenase einzubringen, die fertigungstechnisch gut realisierbar sind.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausnehmung in der Kurbelwelle mit der Fluidleitung in der Kurbelwelle hydraulisch zu verbinden. Letztendlich kommt es darauf an, das Steueröl bzw. das Hydrauliköl auf einfachste Weise von der Fluidleitung in der Kurbelwelle zu der Ausnehmung zu leiten. In den Unteransprüchen 4 bis 7 werden zwei besonders bevorzugte Ausführungsformen der hydraulischen Verbindung zwischen der Fluidleitung in der Kurbelwelle und der Ausnehmung beansprucht. Diese Ausführungsformen werden auch in den Figuren ausführlich dargestellt und weiter unten beschrieben. Daher wird bezüglich der Vorteile dieser Ausführungsformen auf die Figuren und deren Beschreibung verwiesen.
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Um die Übertragung des Öls von dem Ölübertragungsring auf das Pleuel zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß an dem großen Pleuelauge des Pleuels eine zur Pleuellagerachse konzentrische zylindrische Ausnehmung ausgebildet, die den Ölübertragungsring aufnimmt und zentriert.
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Der Ölübertragungsring weist eine radiale Lauffläche auf, die mit einer radialen Ringlauffläche der Ausnehmung im Pleuelauge spielarm zusammenpasst, so dass die an diesem ringförmigen Spalt zwischen der radialen Lauffläche des Ölübertragungsrings und der radialen Ringlauffläche der Ausnehmung auftretende Leckage sehr gering ist. Durch das geringe radiale Spiel zwischen der radialen Lauffläche des Ölübertragungsrings und der radialen Ringlauffläche der Ausnehmung im Pleuel wird der Ölübertragungsring radial zentriert.
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Am Innendurchmesser des Ölübertragungsrings hat dieser keinen Kontakt mit dem Hubzapfen der Kurbelwelle. Er hat in vorteilhafter Ausgestaltung auch eine Fase auf der Seite an der die oben erwähnte Ausrundung zwischen Hubzapfen und Kurbelwange vorhanden ist, um ein Anliegen zwischen Ölübertragungsring und Kurbelwelle in diesem Bereich zu vermeiden.
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Da Kurbelwellen in der Regel aus einem Stück gefertigt sind, ist der erfindungsgemäße Ölübertragungsring zweiteilig ausgeführt. Dadurch ergibt sich zwischen den beiden Hälften des Ölübertragungsrings ein Ringstoß. Als Ringstoß werden die beiden einander gegenüberliegend angeordneten Trennflächen bezeichnet.
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Dieser aus fertigungstechnischen Gründen erforderliche Ringstoß kann nach der Montage des Ölübertragungsrings auf dem Hubzapfen beispielsweise durch Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen wieder geschlossen werden.
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Alternativ ist es auch möglich, zwischen den beiden Hälften des erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings eine oder zwei Druckfedern anzuordnen, welche die beiden Hälften des erfindungsgemäßen Ölübertragungsrings radial nach außen gegen die radiale Ringlauffläche der Ausnehmung im Pleuel drücken. Dadurch bleibt der Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Ölübertragungsrings und der radialen Ringlauffläche über die gesamte Lebensdauer des Hubkolbenmotors konstant und die Leckageverluste an dieser Stelle entsprechend gering.
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Um das in dem oder den Nutabschnitten des Ölübertragungsrings ankommende Steueröl bzw. Hydrauliköl im Pleuel zu der Fluidleitung im Pleuel weiterleiten zu können, ist in der Ausnehmung eine Ölaufnahmetasche ausgebildet, die hydraulisch mit der Fluidleitung in Verbindung steht.
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Diese Ölübertragungstasche hat eine gewisse Ausdehnung in Umfangsrichtung. Sie ist in der Regel länger als die Unterbrechung der Nutabschnitte des Ölübertragungsrings im Bereich des Ringstoßes. Dadurch ist gewährleistet, dass - unabhängig von der Stellung der Kurbelwelle relativ zu dem Pleuel - immer eine hydraulische Verbindung zwischen Kurbelwelle und Pleuel vorhanden ist. Es ist jedoch auch möglich, die Ölaufnahmetasche in Umfangsrichtung so kurz zu gestalten, dass immer dann, wenn der Ringstoß des Ölübertragungsrings die Ölaufnahmetasche überstreicht, für einige Millisekunden die hydraulische Verbindung unterbrochen ist. Die Länge der Ölübertragungstasche in Umfangsrichtung ist ein Optimierungsparameter, der entsprechend den Randbedingungen des Einsatzfalls gewählt werden.
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Um das Pleuel bzw. den an dem Pleuel befestigten Kolben hinsichtlich Bauhöhe bzw. Baulänge steuern zu können, ist in einer Zentralbohrung eines Hauptlagerzapfens der Kurbelwelle ein schaltbares Vorsteuerventil angeordnet. Ein Ausgang dieses schaltbaren Vorsteuerventils ist mit der Fluidleitung in der Kurbelwelle hydraulisch verbunden. Ein Eingang des Vorsteuerventils ist über eine Zulaufbohrung mit der Ölversorgung der Brennkraftmaschine bzw. der Hubkolbenmaschine hydraulisch verbunden.
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Der erfindungsgemäße Kurbeltrieb kann vorteilhaft bei Verbrennungsmotoren (Diesel- oder Otto-Motoren) sowie Kolbenpumpen oder Dampfmotoren eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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In den 1 bis 14 ist eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung mit einem vertikal geteilten Ölübertragungsring dargestellt. In den 15 bis 19 sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung jeweils mit einem horizontal geteilten Ölübertragungsring dargestellt.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle mit einem Ölübertragungsring am Hubzapfen.
- 2 eine Schnittansicht durch einen Bereich des Hubzapfens der Kurbelwelle aus 1. Die Schnittebene geht durch die Hubzapfenachse und liegt unter einem Winkel von 45° zum Kurbelarm.
- 3 einen Längsschnitt durch die Kurbelwelle aus 1. Die Schnittebene wird gebildet durch die Achse des ersten Hubzapfens und durch die Kurbelwellenachse.
- 4 eine perspektivische Ansicht des 2-teiligen Ölübertragungsringes der Kurbelwelle aus 1.
- 5 einen Querschnitt durch den Ölübertragungsring aus 4. Die Schnittebene befindet sich in der Mitte der Nut des Ringes.
- 6 eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle aus 1 ohne den Ölübertragungsring.
- 7 eine perspektivische Ansicht eines längenvariablen Pleuels mit einem fluiddruckbetätigten Schaltventil.
- 8 eine perspektivische Ansicht des Lagerdeckels mit angeschraubtem Schaltventil des Pleuels aus 7.
- 9 eine Frontansicht des Lagerdeckels aus 8.
- 10 eine Ansicht von oben mit Ausbruch des Lagerdeckels aus 8. Die Schnittebene des Ausbruchs verläuft entlang C-C.
- 11 eine Schnittansicht durch den Lagerdeckel und durch das angeschraubte Schaltventil. Die Schnittebene des Ausbruchs verläuft entlang D-D.
- 12 Eine Frontansicht der Kurbelwelle aus 1 im Zusammenbau mit dem Pleuel aus 7.
- 13 einen Horizontalschnitt des Zusammenbaus aus 12 entlang C-C.
- 14 eine perspektivische Ansicht einer Kurbelwelle mit zwei Ölübertragungsringen am selben Hubzapfen.
- 15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Kurbelwelle mit einem zweiten Ölübertragungsring am Hubzapfen.
- 16 einen Längsschnitt durch die Kurbelwelle aus 15. Die Schnittebene wird gebildet durch die Achse des ersten Hubzapfens und durch die Kurbelwellenachse.
- 17 einen Querschnitt durch die Kurbelwelle aus 15 entlang B-B. Die Lage der Schnittebene ist 16 zu entnehmen.
- 18 einen Längsschnitt durch die Kurbelwelle aus 15 wobei der Ölübertragungsring radial federbelastet ist. Die Schnittebene wird gebildet durch die Achse des ersten Hubzapfens und durch die Kurbelwellenachse.
- 19 einen Querschnitt durch dritten geteilten Ölübertragungsring mit horizontaler Teilung und mit einer federbelasteten Spannvorrichtung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden nicht in allen Figuren alle Bauteile mit Bezugszeichen versehen.
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Die Erfindung wird beispielhaft beschrieben für ein System mit VCR-Pleueln. Sie lässt sich aber auch anwenden bei Systemen mit variablen Kolben oder bei anderen Anwendungen bei denen eine Fluidverbindung zwischen Bauteilen hergestellt werden muss, die relativ zueinander eine Rotationsbewegung ausführen.
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In den aufgeführten Ausführungsbeispielen ist dieser Ölübertragungsring zweiteilig ausgeführt, um eine Montage an einteiligen Kurbelwellen zu ermöglichen. Bei gebauten Kurbelwellen kann der Ölübertragungsring auch einteilig sein.
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Beschrieben wird zunächst anhand der 1 bis 14 eine erste Ausgestaltung der Erfindung mit einem geteilten Ölübertragungsring 2. Der Ölübertragungsring ist konzentrisch zu dem Hubzapfen 1.1 einer Kurbelwelle 1 und konzentrisch zu dem großen Lagerauge einer Pleuelstange angeordnet.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Bereiches einer Kurbelwelle 1 mit einem 2-teiligen Ölübertragungsring 2 am ersten Hubzapfen 1.1 ohne Pleuel. Der Ölübertragungsring 2 ist so beschaffen, dass er gegenüber einer Hubzapfenlagerfläche 1.1.2 ein radiales Spiel 1.4 (siehe das Detail in 2) von einigen Zehntel Millimeter (0,2 bis 0,6 mm) aufweist. Eine Passung zwischen einer radial äußeren Lauffläche 2.5 des Ölübertragungsrings 2 (siehe 1) und einer am Pleuel 3 angebrachten Ringlauffläche 3.1 (siehe 8) hat demgegenüber ein deutlicher geringeres Radialspiel. Das Spiel sollte vorzugsweise nur wenige Hundertstel Millimeter (weniger als 0,1 mm) betragen.
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13 zeigt einen Horizontalschnitt durch den Hubzapfen und durch das Pleuel, wobei die Schnittebene in der gewählten Darstellung mit der Trennebene des Pleuels zusammenfällt, weshalb das Pleuel auch nicht schraffiert dargestellt ist.
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Wie sich aus der 4 ergibt, weisen beide Teile 2.1 und 2.2 des Ölübertragungsrings 2 (nachfolgend auch als „Ring“ bezeichnet) einen eigenen Nutabschnitt 2.1.1 und 2.2.1, 2.2.2, 1.2.1, 12.2.2, 22.2.1, 22.2.2 auf. Diese Nutabschnitte sind nicht über den Ringstoß 2.3 hinweg ausgeführt, um eine Leckage im Bereich des Ringstoßes 2.3 gering zu halten, bzw. ganz zu vermeiden. Bei Inkaufnahme einer größeren Leckage kann die Nut im Ölübertragungsring 2 auch durchgehend ausgeführt werden.
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Vorzugsweise wird der Ölübertragungsring 2 innen mit einer Fase 2.4 versehen (siehe 2 und 3), um entsprechenden Freigang zu einer (Zapfen-)Ausrundung 1.1.1 am Übergang zwischen der Lagerfläche 1.1.2 des Hubzapfens und der Wange 1.2 zu gewährleisten. Die Breite des Rings 2 stellt einen konstruktiven Optimierungsparameter dar. Idealerweise wird der Ring 2 nicht wesentlich breiter ausgeführt als die axiale Ausdehnung der Zapfenausrundung 1.1.1. In der Regel muss der Ring 2 allerdings etwas breiter sein als die Zapfenausrundung 1.1.1, um eine ausreichende Breite der Nutabschnitte 2.1.1 und 2.2.1, 2.2.2, 1.2.1, 12.2.2, 22.2.1, 22.2.2 und der radialen Lauffläche 2.5 (siehe das Detail der 2) zu gewährleisten.
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Üblicherweise beträgt der axiale Bauraumbedarf der Zapfenausrundung 1.1.1 bei PKW-Kurbelwellen etwa 2 mm. Die Breite des Rings 2 sollte vorzugsweise in der Größenordnung von 3 mm liegen. Erforderlichenfalls ist die Breite der Pleuellagerschalen entsprechend zu verringern.
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Die Toleranzen des Ringes 2 und die der axialen Ringlauffläche 3.5 in axialer Richtung (Breitentoleranz) sind so zu bemessen, dass das axiale Spiel 1.3 (siehe 2) zwischen Kurbelwelle 1 und Ring 2 im Zusammenbau in etwa dem Serienspiel zwischen Pleuel 3 und Kurbelwelle 1 entspricht. Üblicherweise liegt das axiale Spiel in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 mm. Vorzugsweise sollte hier ein tendenziell enges Spiel 1.3 gewählt werden, um die Verkippung der Ringhälften gering zu halten. Gegebenenfalls sind in den Axialanlageflächen 1.8 der Kurbelwelle 1 (siehe 2 und 6) radial verlaufende Ölablauftaschen einzubringen, um ein ungehindertes Abfließen des Öls aus der Pleuellagerung sicher zu stellen. Alternativ oder zusätzlich sind solche Ölablauftaschen auch in einer der Axialanlagefläche 1.8 zugewandten Stirnfläche (ohne Bezugszeichen) des Rings 2 und/oder im Pleuel 3 anzubringen.
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Damit sich der Ölübertragungsring 2 nicht gegenüber der Kurbelwelle 1 verdrehen kann, ist mindestens eine Ringhälfte, bevorzugt jedoch beide Ringhälften 2.1 und 2.2, jeweils mit einer Haltenase 2.1.4 und 2.2.4 versehen (siehe 4). Wie später noch erläutert wird, sind die Haltenasen 2.1.4 und 2.2.4 auch ein Teil der erfindungsgemäßen Fluidverbindung zwischen Vorsteuerventil und Schaltventil.
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Vorzugsweise ist der Ölübertragungsring 2 aus einem Material gefertigt, welches gegenüber dem Material des Pleuels gute Gleiteigenschaften aufweist, beispielsweise aus einer Messing oder Bronzelegierung.
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In der radialen Ringlauffläche 3.1 des Pleuels 3 ist eine Ölaufnahmetasche 3.2 eingearbeitet (siehe 7 und 8). Da das hydraulisch zu betätigende Schaltventil im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Pleuellagerkappe verschraubt wird, wird diese 3.2 Ölaufnahmetasche auch im kappenseitigen Bereich einzuarbeiten, um die Fluidverbindung zum Schaltventil 6 kurz zu halten. Auf diese Weise besteht nun eine ununterbrochene Fluidverbindung zwischen dem Pleuel 3 bzw. dem an dem Pleuel 3 angeordneten Schaltventil 6 und der Kurbelwelle 1.
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Die Länge der Ölaufnahmetasche 3.2 in Umfangsrichtung ist im dargestellten Fall so bemessen, dass der Ringstoß 2.3 des Rings 2 überbrückt wird. Dadurch ist gewährleistet, dass die Fluidverbindung unabhängig von der Lage des Ringstoßes 2.3 relativ zu dem Pleuel 3 immer vorhanden ist.
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Wenn die Länge der Ölaufnahmetasche 3.2 in Umfangsrichtung reduziert wird, kann die Ölaufnahmetasche den Ringstoß 2.3 nicht mehr überbrücken, so dass immer dann wenn der Ringstoß 2.3 die Ölaufnahmetasche 2.3 „überfährt“ die Fluidverbindung für eine kurze Zeitspanne unterbrochen ist. In vielen Fällen beeinträchtigt diese kurze Unterbrechung die Funktion von Vorsteuerventil und Schaltventil nicht. Die Länge der Ölaufnahmetasche 3.2 stellt somit einen konstruktiven Optimierungsparameter dar.
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Das radiale Spiel zwischen Ring 2 und Pleuel 3 kann fertigungstechnisch sehr klein gehalten werden. Durch den unvermeidbaren Materialabtrag (Verschleiß) während des Betriebs der Brennkraftmaschine wird das Stoßspiel 2.3 aber unweigerlich mit der Zeit zunehmen und damit auch die unerwünschte Leckage, die bekanntermaßen ja mit der dritten Potenz des radialen Spiels ansteigt.
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In der dargestellten Konstruktion werden die beiden Ringhälften 2.1, 2.2 radial mit Hilfe einer Druckfeder 5 gegen die pleuelseitige Ringlauffläche 3.1 gedrückt, wie in 13 zu sehen ist. Auf diese Weise wird das radiale Spiel zwischen der radialen Lauffläche 2.5 des Rings 2 und der radialen Ringlauffläche 3.1 im Lagerauge des Pleuels 3 über die gesamte Lebensdauer der Brennkraftmaschine klein gehalten.
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Die Anpresskraft wird über eine vorgespannte Druckfeder 5 aufgebracht. Die Krafteinleitung in die Ringhälften 2.1 und 2.2 erfolgt über zylindrische Druckstücke 4.
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Die Druckfedern 5 und Druckstücke 4 sind in einer radial verlaufenden als Durchgangsbohrung ausgeführten Aufnahmebohrung 1.6 im Hubzapfen 1.1 aufgenommen. Die Aufnahmebohrung 1.6 ist bevorzugt als Stufenbohrung mit Führungsabschnitten 1.6.1 für die Druckstücke 4 ausgebildet. In der Mitte dient die Aufnahmebohrung 1.6 lediglich der Führung der Druckfeder 5 und zur Fluidleitung und muss keine besonderen Genauigkeitsanforderungen erfüllen. Im Bereich 1.6.1 sollte eine enge Passung zu den Druckstücken gegeben sein, um größere Leckageströme zu vermeiden. Als Alternative zu einer engen Passung von 1 bis 2 Hundertstel Millimetern (0,01 bis 0,02 mm) kann auch ein radial dichtender O-Ring oder eine andere ruhende Dichtung verwendet werden.
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Die hohlgebohrten Druckstücke 4 erfüllen auch noch die Funktion der Fluidleitung von der Kurbelwelle 1 in den Ölübertragungsring 2. Dazu sind die Druckstücke 4 mit einer Bohrung 4.1 versehen und an der dem Ring 2 zugewandten Stirnfläche kegelig ausgeführt. Eine Radialbohrung 2.2.2 in den Haltenasen 2.1.4 ist komplementär ausgebildet, so dass sich ein Kegelsitz 4.2 zwischen den Druckstücken 4 und den Radialbohrung 2.2.2 in den Haltenasen 2.1.4 ergibt. Dadurch wird die Leckage an dieser Stelle minimiert.
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Des Weiteren ist die Kurbelwelle mit mindestens einer Ausnehmung 1.5, bevorzugt aber mit zwei Ausnehmungen 1.5 je Hubzapfen 1.1, ausgestattet. Die Ausnehmungen 1.5 nehmen die Haltenasen 2.1.4 und 2.2.4 des Ölübertragungsrings 2 auf.
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Dadurch wird eine in tangentialer Richtung wirkende formschlüssige Verbindung bzw. Verdrehsicherung des Rings 2 relativ zu dem Hubzapfen 1.1 bewirkt.
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Hinsichtlich des Spiels in tangentialer Richtung zwischen Ausnehmungen 1.5 und Haltenasen 2.1.4 und 2.2.4 ist eine Passung vorzusehen, über welche ein Mitdrehen des Ringes vermieden wird. Das Spiel sollte aber nicht größer als fertigungs- und/oder montagetechnisch notwendig sein, damit die Fluidverbindung zwischen dem Ring 2 und den Druckstücken 4 im Bereich des Kegelsitzes 4.2 möglichst leckagearm ist.
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Die pleuelseitige Fluidverbindung zwischen der Ölaufnahmetasche 3.2 und dem Schaltventil 6 ist den jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten anzupassen. Im dargestellten Fall strömt Öl von der Ölaufnahmetasche 3.2 über die Leitungsabschnitte 3.3, 3.4, 6.1.1 und 6.1.2 zum Druckraum 6.2 des Schaltventils 6, wie in den 10 und 11 zu sehen. Weil die Erfindung nicht das Schaltventil 6 betrifft, wird dessen Funktion nicht näher erläutert, sondern diesbezüglich auf die in der Beschreibungseinleitung genannten Druckschriften verwiesen.
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Die kurbelwellenseitige Fluidverbindung zwischen dem Vorsteuerventil 7 und den Ringhälften 2.2 und 2.2 des Ölübertragungsringes 2 erfolgt im dargestellten Fall über die Bohrung 1.7 in der Kurbelwelle, welche die Bohrung 1.6 schneidet (siehe die 3 und 13). Bei mehrzylindrigen Motoren müssen entsprechend weitere Fluidverbindungen zu den weiteren Hubzapfen geschaffen werden, die hier nicht näher dargestellt und beschrieben werden. In den Ringhälften 2.1 und 2.2 erfolgt die Fluidverbindung von den Haltenasen 2.1.4 zu den Nutabschnitten 2.1.1 und 2.2.1, 2.2.2, 1.2.1, 12.2.2, 22.2.1, 22.2.2 über die Leitungen 2.1.2 und 2.1.3 bzw. über 2.2.2 und 2.2.3.
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Es ist auch möglich, einen Hubzapfen mit zwei erfindungsgemäßen Ölübertragungsringen 2 zu versehen, wie in 14 dargestellt. Dann wird beispielsweise über einen ersten Ring 2 an einer ersten Anlagefläche der Kurbelwelle 1 Steueröl bzw. dessen Druck übertragen und über einen zweiten Ring 2 an der zweiten Anlagefläche wird Versorgungsöl für beispielsweise ein VCR-Pleuel übertragen. Der zweite Ölübertragungsring 2 wird dazu an die permanent unter Druck stehende Schmierölversorgung in der Kurbelwelle angeschlossen.
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Die 15 bis 19 zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung jeweils mit einem horizontal geteilten Ölübertragungsring 12 bei dem die Nutabschnitte über den Ringstoß gehen.
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Die 12 zeigt eine Ansicht von vorne auf die Kurbelwelle 1 und das Pleuel3, wobei der Hubzapfen im Oberen Totpunkt OT steht. In dieser Stellung verläuft eine „horizontale Teilung“ entlang der Linie B-B bzw. waagerecht durch die Mitte des Hubzapfens.
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Entsprechend verläuft eine „vertikale Teilung" durch die Mitten des Hubzapfens und der Hauptlagerzapfen der Kurbelwelle 1.
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15 zeigt eine Kurbelwelle 11 mit einem zweiten 2-teiligen Ölübertragungsring 12 mit horizontaler Teilung. Bei dieser Ausgestaltung ist nur die obere Ringhälfte 12.1 mit einer Haltenase 12.4 versehen. Bei dieser Ausführungsform dient die Passung in Umfangsrichtung zwischen der Haltenase 12.4 und der Ausnehmung 11.5 zusätzlich zu der Verdrehsicherung auch der Fluidleitung von der Kurbelwelle 11 in den Ring 2.
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Wie in 17 zu sehen, wird das Steueröl über Bohrungen 11.8 und 11.9 tangential von beiden Seiten von der Kurbelwelle in die Haltenase 12.4 des Rings 12 übertragen. Um eine geringe Leckagemenge zu erreichen, ist die Passung mit geringem Spiel auszuführen.
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Die Fluidverbindung zwischen Vorsteuerventil 7 und der Haltenase 12.4 erfolgt über die Bohrungen 11.7, 11.8 und 11.9. Es ist auch denkbar die Bohrungen 11.8 und 11.9 nur jeweils auf einer Seite der Haltenase 12 vorzusehen. In den 17 und vor allem in der 19 ist die Fluidverbindung im Ölübertragungsring 12 zu sehen. Die tangential verlaufende Bohrung 12.5 mündet in die Bohrungen 11.9. Die Bohrungen 12.6 wiederum münden in die Bohrung 12.5 und leiten das Öl zur Nut 12.1.1.
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Die Ringhälfte 12.2 hat in der dargestellten Ausgestaltung keine eigene Haltenase und auch keine eigene Öleinspeisung. Es wäre aber auch denkbar an der Kurbelwelle 11 eine diametral angeordnete zweite Ausnehmung 11.5 anzubringen, um die untere Ringhälfte 12.2 zu speisen.
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Es gibt nun mehrere Möglichkeiten die Leckage zwischen Ölübertragungsring 12 und Pleuel gering zu halten. Im einen Fall ist der Ölübertragungsring 12 so gefertigt, dass sich im gefügten Zustand, also wenn sich die Ringhälften 12.1, 12.2 an ihrer Stoßstelle 12.3 berühren, ein sehr geringes radiales Spiel zwischen Ring 12 und Pleuel (nicht dargestellt) ergibt. Dies kann sehr gut dadurch erreicht werden, dass der Ring 12 bruchgetrennt wird. Es ist auch möglich die beiden Ringhälften nach Auflegen auf den Hubzapfen miteinander zu verschweißen. An dieser Stelle wird auch deutlich, dass es wichtig ist, dass der Ring an seiner Innenfläche ein ausreichend bemessenes Radialspiel gegenüber dem Hubzapfen aufweist, damit es zu keinem Verklemmen kommen kann. Auf diese Weise übernimmt der Ölübertragungsring 12 keinerlei Kraft leitende Funktion sondern er macht die Verlagerungsbewegung des Pleuels um den Hubzapfen ungehindert mit.
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Die horizontale Ringteilung bewirkt, dass die obere Ringhälfte infolge der Radialbeschleunigung radial gegen die radiale Ringlauffläche 3.1 des Pleuels gedrückt wird. Dies ist ein gewünschter Effekt, weil dadurch das Radialspiel zum Pleuel selbsttätig gering gehalten wird. Auf die untere Ringhälfte wirkt ebenfalls Fliehkraft, welche über die Ringstirnflächen am Ringstoß 22.3 auf die obere Ringhälfte übertragen wird. Dies verstärkt die Dichtwirkung zwischen der oberen Ringhälfte und der Ausnehmung im Pleuel nochmals.
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Weiter verstärkt werden kann die Dichtwirkung an der oberen Ringhälfte 12.1 durch Einbau einer Druckfeder 13, die unabhängig von der Drehzahl eine Radialkraft auf die obere Ringhälfte ausübt. 18 zeigt eine mögliche Ausgestaltung dazu.
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Infolge der auch auf die untere Ringhälfte 12.2 wirkenden Fliehkraft, wird sich an dieser Ringhälfte ein entsprechend größeres Radialspiel zum Pleuel ergeben.
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19 zeigt eine Ausgestaltung, welche diesen unerwünschten Effekt abschwächen bzw. zu eliminieren vermag. Die beiden Ringhälften 22.1 und 22.2 werden dabei mittels zweier Druckfedern 22.10 radial nach außen gegen die im Pleuel befindliche radiale Ringlauffläche 3.1 gedrückt. Die Vorspannkraft beider Federn zusammen ist im montierten Zustand so zu bemessen, dass diese die maximal zu erwartende Fliehkraft auf die untere Ringhälfte wirkend übersteigt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass an beiden Ringhälften stets eine radiale Anpresskraft wirksam ist. Im dargestellten Fall ist nur die obere Ringhälfte 22.1 mit einer Nut 22.1.1 versehen. Die untere Ringhälfte 22.2 ist ungenutet ausgeführt.
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Auf diese Weise wird vermieden, dass Öl über den Ringstoß entweichen kann. Außerdem spielt dadurch die Weite des Ringstoßes keine nennenswerte Rolle mehr. Hier wäre es sogar möglich den fertig bearbeiteten Ring durch einen Sägeschnitt zu trennen. Auf der anderen Seite steht das Schaltventil auf dem Pleuel nun nicht mehr permanent, sondern nur noch zeitweise in Fluidverbindung mit der Kurbelwelle. Es ist auch denkbar die untere Hälfte mit einer Nut zu versehen. Dann läge eine ununterbrochene Fluidverbindung vor mit dem Nachteil von Leckage am Ringstoß. Man kann auch zusätzlich die obere Ringhälfte wie in 19 gezeigt durch eine Feder gegen die Ringlauffläche drücken. Welche der gezeigten Möglichkeiten letztendlich den besten Kompromiss zwischen Funktion, Leckagemenge und Fertigungskosten repräsentiert, ist durch Versuche und Berechnungen zu verifizieren.
