DE102019128826A1 - Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen ist eine Hydraulikeinheit (1) einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, umfassend:- ein Hydraulikgehäuse (2) mit einer Aufnahmeöffnung (35),- eine Kolbenführung (17), die mittels Selbstverstemmung mit der Wandung der Aufnahmeöffnung im Hydraulikgehäuse befestigt ist,- und einen in der Kolbenführung axialbeweglich geführten Nehmerkolben (18), der gehäuseinnenseitig einen in der Kolbenführung verlaufenden Druckraum (9) begrenzt und gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil (23) betätigt.Die Kolbenführung ist mit einem die Selbstverstemmung bewerkstelligenden Außenteil (25) und einem die Nehmerkolbenführung bewerkstelligenden Innenteil (26) mehrteilig, wobei im Axialbereich der Selbstverstemmung die Innenmantelfläche des Außenteils von der Außenmantelfläche des Innenteils radial beabstandet ist und wobei das Außenteil und das Innenteil axial formschlüssig dadurch miteinander verbunden sind, dass ein dem Gaswechselventil zugewandter erster Endabschnitt (27) des Außenteils teil- oder vollumfänglich in eine außenumfängliche Ausnehmung des Innenteils umgeformt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, umfassend:
- - ein Hydraulikgehäuse mit einer Aufnahmeöffnung,
- - eine Kolbenführung, die mittels Selbstverstemmung mit der Wandung der Aufnahmeöffnung im Hydraulikgehäuse befestigt ist,
- - und einen in der Kolbenführung axialbeweglich geführten Nehmerkolben, der gehäuseinnenseitig einen in der Kolbenführung verlaufenden Druckraum begrenzt und gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil betätigt.
- Brennkraftmaschinen mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung, bei der die wesentlichen, für die hydraulische Übertragung von geberseitigen Nockenerhebungen auf die nehmerseitigen Gaswechselventile erforderlichen Komponenten in einer vormontierten und am Zylinderkopf befestigten Hydraulikeinheit angeordnet sind, befinden sich seit mehreren Jahren beim Automobilhersteller FIAT unter der Bezeichnung ‚Multiair‘ in Großserie.
- Die jeweilige Befestigung der Kolbenführungen für den nockenseitigen Geberkolben und den gaswechselventilseitigen Nehmerkolben kann - wie in der
DE 10 2006 008 676 A1 vorgeschlagen - durch Einschrauben in das Hydraulikgehäuse erfolgen. - Alternativ zu dieser Schraubbefestigung soll gemäß
DE 10 2011 075 894 A1 die Kolbenführung für den Geberkolben mittels einer Reibschweißverbindung mit dem Hydraulikgehäuse gefügt werden. - In der
DE 10 2010 021 354 A1 , derDE 10 2013 214 651 A1 und derDE 10 2014 201 911 A1 ist es jeweils vorgeschlagen, das Hydraulikgehäuse und die Kolbenführung für den Geberkolben beziehungsweise den Nehmerkolben mittels plastischer Materialumformung zu fügen. Dabei wird die aus relativ festem Stahlwerkstoff bestehende Kolbenführung in die Aufnahmeöffnung des aus relativ weichem Aluminiumwerkstoff bestehenden Hydraulikgehäuses eingepresst, und das lokale Übermaß der Kolbenführung bewirkt ein Werkstofffließen der Gehäusewandung in äußere Ringnuten der Kolbenführung. Diese nicht zerstörungsfrei lösbare Formschlussverbindung ist aus der Literatur als Selbstverstemmung bekannt. - Die bei der Selbstverstemmung mit dem radial einwärtigen Werkstofffluss einhergehende Einschnürung der Gehäusewandung führt zwangsweise zu einer radial einwärtigen Deformation der Kolbenführung, wobei deren für die präzise Führung des Nehmerkolbens erforderliche Zylinderform in unzulässig hohem Ausmaß beeinträchtigt werden kann.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hydraulikeinheit der vorgenannten Art im Hinblick auf die konstruktive Gestaltung der selbstverstemmten Kolbenführung des Nehmerkolbens zu verbessern.
- Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Kolbenführung mit einem die Selbstverstemmung bewerkstelligenden Außenteil und einem die Nehmerkolbenführung bewerkstelligenden Innenteil mehrteilig ist, wobei im Axialbereich der Selbstverstemmung die Innenmantelfläche des Außenteils von der Außenmantelfläche des Innenteils radial beabstandet ist und wobei das Außenteil und das Innenteil axial formschlüssig dadurch miteinander verbunden sind, dass ein dem Gaswechselventil zugewandter erster Endabschnitt des Außenteils teil- oder vollumfänglich in eine außenumfängliche Ausnehmung des Innenteils umgeformt ist.
- Erfindungsgemäß wird die verstemmbedingte Verformung der Kolbenführung in dem radialen (kreisringförmigen) Spalt zwischen dem Außenteil und dem Innenteil aufgenommen und bleibt daher größtenteils oder vollständig auf das Außenteil beschränkt. Die den Nehmerkolben lagernde Führungsbohrung des von der Verstemmung entkoppelten Innenteils wird folglich nicht oder jedenfalls nicht unzulässig stark verformt. Das Außenteil und das Innenteil sind fest miteinander verbunden, indem das vorzugsweise nicht gehärtete Außenteil lokal umgeformt ist und der umgeformte Abschnitt mit einer außenumfänglichen Ausnehmung des Innenteils einen axialen Formschluss erzeugt, der eine relative Verschiebung des Innenteils in Richtung des Gaswechselventils verhindert.
- Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen. Die Erläuterung des Ausführungsbeispiels geht vom Stand der Technik gemäß den
1 bis4 aus. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen: -
1 eine bekannte Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung in perspektivischer Darstellung; -
2 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang einer darin montierten Gebereinheit; -
3 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang einer darin montierten Nehmereinheit; -
4 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang eines darin montierten Hydraulikventils; -
5 das Ausführungsbeispiel einer Nehmereinheit mit einer erfindungsgemäßen Kolbenführung im Längsschnitt; -
6 die Einzelheit X gemäß5 . -
1 zeigt die Gesamtansicht einer bekannten Hydraulikeinheit1 , die für den Einbau in einen Zylinderkopf einer Reihenvierzylinder-Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Steuerung der Gaswechselventile fertig vormontiert ist. In einem an den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossenen Hydraulikgehäuse2 sind von den Nocken einer nicht dargestellten Nockenwelle angetriebene Gebereinheiten3 aufgenommen. Auf der den Gebereinheiten3 gegenüberliegenden Längsseite des Hydraulikgehäuses2 befinden sich elektromagnetische Hydraulikventile4 . - Ein Querschnitt durch eine der baugleichen Gebereinheiten
3 ist in2 dargestellt. Die Gebereinheit3 umfasst als Nockenfolger einen auf einem starren Abstützelement5 gelenkig gelagerten Schlepphebel6 mit einer nadelgelagerten Rolle7 als Nockenabgriff, einen federbelasteten Geberkolben8 und eine im Hydraulikgehäuse2 eingeschraubte Kolbenführung32 , in der der Geberkolben8 axialbeweglich geführt ist. Die Nockenerhebung wird gehäuseaußenseitig auf den Geberkolben8 übertragen, der gehäuseinnenseitig einen volumenveränderlichen Druckraum9 begrenzt. Um die im Druckraum9 auftretenden Hydraulikmitteldrücke im Bereich von 200 bar zuzüglich Druckspitzen infolge der Druckpulsationen werkstofftechnisch zu beherrschen, ist das durch einen damit verschraubten Gehäusedeckel10 verschlossene Hydraulikgehäuse2 als druckdichtes Aluminiumschmiedeteil ausgeführt. Bei geöffnetem Hydraulikventil4 ist der Druckraum9 mit einem Druckentlastungsraum11 verbunden, der seinerseits von einem federkraftbeaufschlagten Kolben12 eines Druckspeichers begrenzt ist. Ein in das Hydraulikgehäuse2 eingeschraubter Sensor13 dient zur Erfassung der Hydraulikmitteltemperatur. - In
3 ist eine Nehmereinheit14 zur Betätigung eines der - hier mit gestrichelter Linie angedeuteten - Gaswechselventile23 erkennbar. Die Nehmereinheit14 steht mit dem Geberkolben8 der Gebereinheit3 über Kanäle15 gemäß2 und16 in hydraulischer Wirkverbindung und umfasst eine zylindrische Kolbenführung17 , die in einer Aufnahmeöffnung35 des Hydraulikgehäuses2 eingeschraubt ist, einen in einer Führungsbohrung24 der Kolbenführung17 axialbeweglich geführten Nehmerkolben18 , der gehäuseinnenseitig den Druckraum9 begrenzt und gehäuseaußenseitig über ein hydraulisches Ventilspielausgleichelement19 das Gaswechselventil23 betätigt, und eine hydraulische Ventilbremse20 . Diese gewährleistet ein definiertes Abbremsen und sanftes Schließen des während der Hubphase von der zugehörigen Nockenerhebung hydraulisch entkoppelten und durch dessen Ventilfeder in Schließrichtung beaufschlagten Gaswechselventils23 , während bei geöffnetem Hydraulikventil4 ein schnelles Abströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum9 in den Druckentlastungsraum11 erfolgt. - Die Trennung des Druckraums
9 vom Druckentlastungsraum11 durch das Hydraulikventil4 geht aus dem in4 dargestellten Querschnitt entlang des Hydraulikventils4 hervor. Die Kanäle15 und16 sind über eine am Hydraulikventil4 verlaufende Ringnut21 hydraulisch miteinander verbunden, so dass die Ringnut21 ebenso wie die Kanäle15 und16 Bestandteil des Druckraums9 sind. Im geöffneten Zustand lässt das Hydraulikventil4 ein Überströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum9 in den Druckentlastungsraum11 und zurück über eine den Druckentlastungsraum11 mit der Ringnut21 verbindende Bohrung22 zu. - Das Hydraulikventil
4 und das Hydraulikgehäuse2 sind mittels einer an sich bekannten Selbstverstemmung unlösbar gefügt. Demgegenüber ist es ohne Weiteres nicht möglich, die Schraubbefestigung der Kolbenführung17 durch eine solche Selbstverstemmung im Hydraulikgehäuse2 zu ersetzen, um die Nachteile und Risiken hinsichtlich des vergleichsweise hohen Herstell- und Montageaufwands bzw. eines vorzeitigen Lösens der Verschraubung zu vermeiden. Grund hierfür ist das nur wenige Mikrometer große Führungsspiel zwischen dem Nehmerkolben18 und der Führungsbohrung24 , deren radial einwärtige Verformung infolge der Selbstverstemmung wesentlich größer als das Führungsspiel wäre und daher zum Klemmen des Nehmerkolbens18 in der Führungsbohrung24 führen würde. - Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Mehrteiligkeit der Kolbenführung
17 einer Nehmereinheit14 gelöst, die nachfolgend anhand des in den5 und6 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert sei. Die Kolbenführung17 ist mit einem Außenteil25 und einem damit fest verbundenen Innenteil26 mehrteilig ausgeführt. Die Befestigung wird überwiegend durch eine axiale Formschlussverbindung und zusätzlich durch einen Pressverband bewerkstelligt. Der axiale Formschluss besteht darin, dass ein dem Gaswechselventil23 zugewandter erster Endabschnitt27 des Außenteils25 mit einer außenumfänglichen Ausnehmung des Innenteils26 radial überlappt. Die Ausnehmung ist vorliegend eine Ringnut28 . Die Überlappung wird nach dem Einschieben des Innenteils26 in das Außenteil25 dadurch erzeugt, dass der erste Endabschnitt27 teilumfänglich oder - wie vorliegend ausgeführt - vollumfänglich in radial einwärtiger Richtung in die Ringnut28 umgeformt wird. Das Umformen erfolgt mittels bekannter Präge-, Verstemm- oder Rollierverfahren. - Der die formschlüssige Verbindung unterstützende Pressverband, der in
6 vergrößert dargestellt ist, besteht zwischen einem dem ersten Endabschnitt27 benachbarten Innenmantelflächenabschnitt29 des Außenteils25 und einem der Ringnut28 benachbarten Außenmantelflächenabschnitt30 des Innenteils26 . Das Außenteil25 und das Innenteil26 sind im Pressverband hydraulisch dichtend miteinander verbunden, so dass ein im Hinblick auf die Funktion der hydraulischen Ventilbremse20 unkontrolliertes Abfließen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum9 über einen Ringspalt31 zwischen dem Außenteil25 und dem Innenteil26 verhindert ist. Der Nehmerkolben18 umfasst das hydraulische Ventilspielausgleichelement19 , dessen Hydraulikversorgung über eine Öffnung33 erfolgt, die das Innenteil26 im Axialbereich der Ringnut28 quer durchsetzt. - Der gehäuseinnenseitige, d.h. dem Gaswechselventil
23 abgewandte zweite Endabschnitt des Außenteils25 hat einen Boden46 , der das stirnseitig daran anliegende Innenteil26 axial abstützt. Die Kolbenführung17 hat ein konstruktiv integriertes Rückschlagventil, das es ermöglicht, die Nehmereinheit14 vor deren Befestigung im Hydraulikgehäuse2 insbesondere auf die ordnungsgemäße Funktion der hydraulischen Ventilbremse20 zu testen. Das Rückschlagventil öffnet zum Nehmerkolben18 hin, um den Hydraulikmittelfluss in den Druckraum9 über eine Öffnung34 im Boden46 zuzulassen, und umfasst eine Ventilkugel38 , einen im Boden46 eingepressten ersten Ventilsitz36 und einen zweiten Ventilsitz, der entweder durch den Boden46 selbst oder - wie vorliegend - durch eine axial zwischen dem Boden46 und dem ersten Ventilsitz36 eingespannte Scheibe37 gebildet ist. Die Ventilkugel38 liegt bei geschlossenem Rückschlagventil dichtend am ersten Ventilsitz36 und bei geöffnetem Rückschlagventil an der Scheibe37 an. Ein Vorteil der zusätzlich eingelegten Scheibe37 besteht darin, dass die Scheibe37 - anders als das Au-ßenteil25 - zugunsten einer dauerhaften Verschleißfestigkeit des zweiten Ventilsitzes gehärtet ist. Ein weiterer Vorteil ist die Formgebung der zweiten Ventilsitzes, die an der flachen Scheibe37 deutlich einfacher als im vergleichsweise tief eingesenkten Boden46 herstellbar ist. - Sowohl das Außenteil
25 als auch das Innenteil26 sind aus Stahlwerkstoff hergestellt. Lediglich das Innenteil26 weist die im Hinblick auf die Axialführung des Nehmerkolbens18 erforderliche Oberflächenverschleißfestigkeit der Führungsbohrung24 auf und ist zu diesem Zweck gehärtet. Demgegenüber ist das Außenteil25 zugunsten der Umformung und auch niedriger Herstellkosten wärmebehandlungsfrei hergestellt. Die Außenmantelfläche des folglich aus „weichem“ Stahlwerkstoff bestehenden Außenteils25 ist zwecks der Selbstverstemmung mit der noch „weicheren“ Wandung der Aufnahmeöffnung35 des (aus Aluminium bestehenden) Hydraulikgehäuses2 mit einer Ringnut39 und einer diese begrenzenden Durchmesserstufe40 versehen, die in unverformten Zustand so stark mit dem Durchmesser der Aufnahmeöffnung35 überlappt, dass das Einpressen der Kolbenführung17 in das Hydraulikgehäuse2 ein lokales Werkstofffließen der Wandung in die Ringnut39 bewirkt, wodurch die Kolbenführung17 unlösbar formschlüssig in der Aufnahmeöffnung35 befestigt wird. - Die Mehrteiligkeit der Kolbenführung
17 ermöglicht es, im Axialbereich der Selbstverstemmung, d.h. zumindest lokal im axialen Bereich der Ringnut39 die Außenmantelfläche des Innenteils26 von der Innenmantelfläche des Außenteils25 radial zu beabstanden. Der dementsprechend große Ringspalt31 , der sich vorliegend zumindest vor der Selbstverstemmung vom Boden46 bis zum radial vorspringenden Außenmantelflächenabschnitt30 des Innenteils26 erstreckt, ist so bemessen, dass die mit dem Verstemmen der Aufnahmeöffnung35 unvermeidlich einhergehende Radialdeformation des Außenteils25 nicht oder nicht wesentlich auf das Innenteil26 übertragen wird und folglich dessen Führungsbohrung24 die für die exakte Führung des Nehmerkolbens18 erforderliche Zylinderform mit kleinem und eng toleriertem Führungsspiel beibehält. Das Maß des undeformierten Ringspalts beträgt vorliegend einige wenige Zehntelmillimeter. - Der Nehmerkolben
18 ist mittels einer Klemmhülse41 gegen axiales Ausfahren aus der Kolbenführung17 gesichert. Die Klemmhülse41 befindet sich außenumfänglich in Klemmkontakt mit dem Innenmantelflächenabschnitt42 einer Stufenbohrung im Innenteil26 und ist entgegen der Klemmkontaktkraft axial verschieblich darin gehaltert. Ein radial einwärtiger Bund43 der Klemmhülse41 dient als Axialanschlag für das Ventilspielausgleichelement19 , das so in der dargestellten eingefahrenen Position gehalten wird. Dieser Zustand besteht solange, bis die Hydraulikeinheit1 in der Brennkraftmaschine montiert und in Betrieb genommen wird, so dass die hydraulische Betätigung des Nehmerkolbens18 die Klemmhülse41 in die ausgefahrene Betriebsstellung verschiebt. - Das Innenteil
26 ist mit einer weiteren Ringnut44 und einem darin eingelegten Dichtring45 versehen, der die Hydraulikversorgung des Ventilspielausgleichelements19 gegenüber der Mündung der Aufnahmeöffnung35 abdichtet. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006008676 A1 [0003]
- DE 102011075894 A1 [0004]
- DE 102010021354 A1 [0005]
- DE 102013214651 A1 [0005]
- DE 102014201911 A1 [0005]
Claims (7)
- Hydraulikeinheit (1) einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, umfassend: - ein Hydraulikgehäuse (2) mit einer Aufnahmeöffnung (35), - eine Kolbenführung (17), die mittels Selbstverstemmung mit der Wandung der Aufnahmeöffnung (35) im Hydraulikgehäuse (2) befestigt ist, - und einen in der Kolbenführung (17) axialbeweglich geführten Nehmerkolben (18), der gehäuseinnenseitig einen in der Kolbenführung (17) verlaufenden Druckraum (9) begrenzt und gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil (23) betätigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenführung (17) mit einem die Selbstverstemmung bewerkstelligenden Außenteil (25) und einem die Nehmerkolbenführung bewerkstelligenden Innenteil (26) mehrteilig ist, wobei im Axialbereich der Selbstverstemmung die Innenmantelfläche des Außenteils (25) von der Außenmantelfläche des Innenteils (26) radial beabstandet ist und wobei das Außenteil (25) und das Innenteil (25) axial formschlüssig dadurch miteinander verbunden sind, dass ein dem Gaswechselventil (23) zugewandter erster Endabschnitt (27) des Außenteils (25) teil- oder vollumfänglich in eine außenumfängliche Ausnehmung des Innenteils (26) umgeformt ist.
- Hydraulikeinheit (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung des Innenteils (26) eine Ringnut (28) ist. - Hydraulikeinheit (1) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Nehmerkolben (18) ein hydraulisches Ventilspielausgleichelement (19) umfasst, dessen Hydraulikversorgung über eine Öffnung (33) erfolgt, die das Innenteil (26) im Axialbereich der Ringnut (28) quer durchsetzt. - Hydraulikeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem ersten Endabschnitt (27) benachbarter Innenmantelflächenabschnitt (29) des Außenteils (25) und ein der Ausnehmung benachbarter Außenmantelflächenabschnitt (30) des Innenteils (26) mittels eines Pressverbands hydraulisch dichtend miteinander verbunden sind.
- Hydraulikeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikgehäuse (2) aus Aluminiumwerkstoff hergestellt ist und dass das Außenteil (25) aus Stahlwerkstoff und frei von einer dessen Oberflächenhärte erhöhenden Wärmebehandlung hergestellt ist.
- Hydraulikeinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Gaswechselventil (23) abgewandte zweite Endabschnitt des Außenteils (25) einen Boden (46) hat, der das Innenteil (26) axial stirnseitig abstützt.
- Hydraulikeinheit (1) nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenführung (17) ein zum Nehmerkolben (18) hin öffnendes Rückschlagventil mit einer Ventilkugel (38), einem im Boden (46) eingepressten ersten Ventilsitz (36) und einem zweiten Ventilsitz hat, der entweder durch den Boden (46) oder eine axial zwischen dem Boden (46) und dem ersten Ventilsitz (36) eingespannte Scheibe (37) gebildet ist, wobei die Ventilkugel (38) bei geschlossenem Rückschlagventil am ersten Ventilsitz (36) und bei geöffnetem Rückschlagventil am zweiten Ventilsitz anliegt.
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