DE102019128826B4

DE102019128826B4 - Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung

Info

Publication number: DE102019128826B4
Application number: DE102019128826.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Hagen; Robert Seeger; Murat Yakan; Calin Petru Itoafa; Marco Meisborn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2039-10-26
Also published as: US11761359B2; DE102019128826A1; CN114423931A; US20220381165A1; WO2021078322A1

Abstract

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, wobei die Kolbenführung (17) mit einem die Selbstverstemmung bewerkstelligenden Außenteil (25) und einem die Nehmerkolbenführung bewerkstelligenden Innenteil (26) mehrteilig ist und im Axialbereich der Selbstverstemmung die Innenmantelfläche des Außenteils (25) von der Außenmantelfläche des Innenteils (26) radial beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (25) und das Innenteil (26) 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.

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.
Die DE 10 2011 002 680 A1 offenbart eine Hydraulikeinheit mit einem Hydraulikgehäuse aus Leichtmetall, dessen Aufnahmeöffnung für die Kolbenführung mit einem mechanisch hochbeanspruchbaren Material ausgekleidet ist.
In der DE 10 2013 214 651 A1 und der DE 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.
Eine gattungsgemäße Hydraulikeinheit ist aus der nachveröffentlichten DE 10 2019 109 865 A1 bekannt.
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 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 der Ausnehmung 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 bis 4 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 gemäß 5.

1 zeigt die Gesamtansicht einer bekannten Hydraulikeinheit 1, 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 Hydraulikgehäuse 2 sind von den Nocken einer nicht dargestellten Nockenwelle angetriebene Gebereinheiten 3 aufgenommen. Auf der den Gebereinheiten 3 gegenüberliegenden Längsseite des Hydraulikgehäuses 2 befinden sich elektromagnetische Hydraulikventile 4.
Ein Querschnitt durch eine der baugleichen Gebereinheiten 3 ist in 2 dargestellt. Die Gebereinheit 3 umfasst als Nockenfolger einen auf einem starren Abstützelement 5 gelenkig gelagerten Schlepphebel 6 mit einer nadelgelagerten Rolle 7 als Nockenabgriff, einen federbelasteten Geberkolben 8 und eine im Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubte Kolbenführung 32, in der der Geberkolben 8 axialbeweglich geführt ist. Die Nockenerhebung wird gehäuseaußenseitig auf den Geberkolben 8 übertragen, der gehäuseinnenseitig einen volumenveränderlichen Druckraum 9 begrenzt. Um die im Druckraum 9 auftretenden Hydraulikmitteldrücke im Bereich von 200 bar zuzüglich Druckspitzen infolge der Druckpulsationen werkstofftechnisch zu beherrschen, ist das durch einen damit verschraubten Gehäusedeckel 10 verschlossene Hydraulikgehäuse 2 als druckdichtes Aluminiumschmiedeteil ausgeführt. Bei geöffnetem Hydraulikventil 4 ist der Druckraum 9 mit einem Druckentlastungsraum 11 verbunden, der seinerseits von einem federkraftbeaufschlagten Kolben 12 eines Druckspeichers begrenzt ist. Ein in das Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubter Sensor 13 dient zur Erfassung der Hydraulikmitteltemperatur.
In 3 ist eine Nehmereinheit 14 zur Betätigung eines der - hier mit gestrichelter Linie angedeuteten - Gaswechselventile 23 erkennbar. Die Nehmereinheit 14 steht mit dem Geberkolben 8 der Gebereinheit 3 über Kanäle 15 gemäß 2 und 16 in hydraulischer Wirkverbindung und umfasst eine zylindrische Kolbenführung 17, die in einer Aufnahmeöffnung 35 des Hydraulikgehäuses 2 eingeschraubt ist, einen in einer Führungsbohrung 24 der Kolbenführung 17 axialbeweglich geführten Nehmerkolben 18, der gehäuseinnenseitig den Druckraum 9 begrenzt und gehäuseaußenseitig über ein hydraulisches Ventilspielausgleichelement 19 das Gaswechselventil 23 betätigt, und eine hydraulische Ventilbremse 20. 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 Gaswechselventils 23, während bei geöffnetem Hydraulikventil 4 ein schnelles Abströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 in den Druckentlastungsraum 11 erfolgt.
Die Trennung des Druckraums 9 vom Druckentlastungsraum 11 durch das Hydraulikventil 4 geht aus dem in 4 dargestellten Querschnitt entlang des Hydraulikventils 4 hervor. Die Kanäle 15 und 16 sind über eine am Hydraulikventil 4 verlaufende Ringnut 21 hydraulisch miteinander verbunden, so dass die Ringnut 21 ebenso wie die Kanäle 15 und 16 Bestandteil des Druckraums 9 sind. Im geöffneten Zustand lässt das Hydraulikventil 4 ein Überströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 in den Druckentlastungsraum 11 und zurück über eine den Druckentlastungsraum 11 mit der Ringnut 21 verbindende Bohrung 22 zu.
Das Hydraulikventil 4 und das Hydraulikgehäuse 2 sind mittels einer an sich bekannten Selbstverstemmung unlösbar gefügt. Demgegenüber ist es ohne Weiteres nicht möglich, die Schraubbefestigung der Kolbenführung 17 durch eine solche Selbstverstemmung im Hydraulikgehäuse 2 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 Nehmerkolben 18 und der Führungsbohrung 24, deren radial einwärtige Verformung infolge der Selbstverstemmung wesentlich größer als das Führungsspiel wäre und daher zum Klemmen des Nehmerkolbens 18 in der Führungsbohrung 24 führen würde.
Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Mehrteiligkeit der Kolbenführung 17 einer Nehmereinheit 14 gelöst, die nachfolgend anhand des in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert sei. Die Kolbenführung 17 ist mit einem Außenteil 25 und einem damit fest verbundenen Innenteil 26 mehrteilig ausgeführt. Die Befestigung wird überwiegend durch eine axiale Formschlussverbindung und zusätzlich durch einen Pressverband bewerkstelligt. Der axiale Formschluss besteht darin, dass ein dem Gaswechselventil 23 zugewandter erster Endabschnitt 27 des Außenteils 25 mit einer außenumfänglichen Ausnehmung des Innenteils 26 radial überlappt. Die Ausnehmung ist vorliegend eine Ringnut 28. Die Überlappung wird nach dem Einschieben des Innenteils 26 in das Außenteil 25 dadurch erzeugt, dass der erste Endabschnitt 27 teilumfänglich oder - wie vorliegend ausgeführt - vollumfänglich in radial einwärtiger Richtung in die Ringnut 28 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 Endabschnitt 27 benachbarten Innenmantelflächenabschnitt 29 des Außenteils 25 und einem der Ringnut 28 benachbarten Außenmantelflächenabschnitt 30 des Innenteils 26. Das Außenteil 25 und das Innenteil 26 sind im Pressverband hydraulisch dichtend miteinander verbunden, so dass ein im Hinblick auf die Funktion der hydraulischen Ventilbremse 20 unkontrolliertes Abfließen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 über einen Ringspalt 31 zwischen dem Außenteil 25 und dem Innenteil 26 verhindert ist. Der Nehmerkolben 18 umfasst das hydraulische Ventilspielausgleichelement 19, dessen Hydraulikversorgung über eine Öffnung 33 erfolgt, die das Innenteil 26 im Axialbereich der Ringnut 28 quer durchsetzt.
Der gehäuseinnenseitige, d.h. dem Gaswechselventil 23 abgewandte zweite Endabschnitt des Außenteils 25 hat einen Boden 46, der das stirnseitig daran anliegende Innenteil 26 axial abstützt. Die Kolbenführung 17 hat ein konstruktiv integriertes Rückschlagventil, das es ermöglicht, die Nehmereinheit 14 vor deren Befestigung im Hydraulikgehäuse 2 insbesondere auf die ordnungsgemäße Funktion der hydraulischen Ventilbremse 20 zu testen. Das Rückschlagventil öffnet zum Nehmerkolben 18 hin, um den Hydraulikmittelfluss in den Druckraum 9 über eine Öffnung 34 im Boden 46 zuzulassen, und umfasst eine Ventilkugel 38, einen im Boden 46 eingepressten ersten Ventilsitz 36 und einen zweiten Ventilsitz, der entweder durch den Boden 46 selbst oder - wie vorliegend - durch eine axial zwischen dem Boden 46 und dem ersten Ventilsitz 36 eingespannte Scheibe 37 gebildet ist. Die Ventilkugel 38 liegt bei geschlossenem Rückschlagventil dichtend am ersten Ventilsitz 36 und bei geöffnetem Rückschlagventil an der Scheibe 37 an. Ein Vorteil der zusätzlich eingelegten Scheibe 37 besteht darin, dass die Scheibe 37 - anders als das Au-ßenteil 25 - zugunsten einer dauerhaften Verschleißfestigkeit des zweiten Ventilsitzes gehärtet ist. Ein weiterer Vorteil ist die Formgebung der zweiten Ventilsitzes, die an der flachen Scheibe 37 deutlich einfacher als im vergleichsweise tief eingesenkten Boden 46 herstellbar ist.
Sowohl das Außenteil 25 als auch das Innenteil 26 sind aus Stahlwerkstoff hergestellt. Lediglich das Innenteil 26 weist die im Hinblick auf die Axialführung des Nehmerkolbens 18 erforderliche Oberflächenverschleißfestigkeit der Führungsbohrung 24 auf und ist zu diesem Zweck gehärtet. Demgegenüber ist das Außenteil 25 zugunsten der Umformung und auch niedriger Herstellkosten wärmebehandlungsfrei hergestellt. Die Außenmantelfläche des folglich aus „weichem“ Stahlwerkstoff bestehenden Außenteils 25 ist zwecks der Selbstverstemmung mit der noch „weicheren“ Wandung der Aufnahmeöffnung 35 des (aus Aluminium bestehenden) Hydraulikgehäuses 2 mit einer Ringnut 39 und einer diese begrenzenden Durchmesserstufe 40 versehen, die in unverformten Zustand so stark mit dem Durchmesser der Aufnahmeöffnung 35 überlappt, dass das Einpressen der Kolbenführung 17 in das Hydraulikgehäuse 2 ein lokales Werkstofffließen der Wandung in die Ringnut 39 bewirkt, wodurch die Kolbenführung 17 unlösbar formschlüssig in der Aufnahmeöffnung 35 befestigt wird.
Die Mehrteiligkeit der Kolbenführung 17 ermöglicht es, im Axialbereich der Selbstverstemmung, d.h. zumindest lokal im axialen Bereich der Ringnut 39 die Außenmantelfläche des Innenteils 26 von der Innenmantelfläche des Außenteils 25 radial zu beabstanden. Der dementsprechend große Ringspalt 31, der sich vorliegend zumindest vor der Selbstverstemmung vom Boden 46 bis zum radial vorspringenden Außenmantelflächenabschnitt 30 des Innenteils 26 erstreckt, ist so bemessen, dass die mit dem Verstemmen der Aufnahmeöffnung 35 unvermeidlich einhergehende Radialdeformation des Außenteils 25 nicht oder nicht wesentlich auf das Innenteil 26 übertragen wird und folglich dessen Führungsbohrung 24 die für die exakte Führung des Nehmerkolbens 18 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 Klemmhülse 41 gegen axiales Ausfahren aus der Kolbenführung 17 gesichert. Die Klemmhülse 41 befindet sich außenumfänglich in Klemmkontakt mit dem Innenmantelflächenabschnitt 42 einer Stufenbohrung im Innenteil 26 und ist entgegen der Klemmkontaktkraft axial verschieblich darin gehaltert. Ein radial einwärtiger Bund 43 der Klemmhülse 41 dient als Axialanschlag für das Ventilspielausgleichelement 19, das so in der dargestellten eingefahrenen Position gehalten wird. Dieser Zustand besteht solange, bis die Hydraulikeinheit 1 in der Brennkraftmaschine montiert und in Betrieb genommen wird, so dass die hydraulische Betätigung des Nehmerkolbens 18 die Klemmhülse 41 in die ausgefahrene Betriebsstellung verschiebt.
Das Innenteil 26 ist mit einer weiteren Ringnut 44 und einem darin eingelegten Dichtring 45 versehen, der die Hydraulikversorgung des Ventilspielausgleichelements 19 gegenüber der Mündung der Aufnahmeöffnung 35 abdichtet.

Claims

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, wobei die Kolbenführung (17) mit einem die Selbstverstemmung bewerkstelligenden Außenteil (25) und einem die Nehmerkolbenführung bewerkstelligenden Innenteil (26) mehrteilig ist und im Axialbereich der Selbstverstemmung die Innenmantelfläche des Außenteils (25) von der Außenmantelfläche des Innenteils (26) radial beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenteil (25) und das Innenteil (26) 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 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.