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Die Erfindung betrifft eine Exzenter-Verstellvorrichtung
für einen
Kurbeltrieb, insbesondere zur Bereitstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse
bei einer Hubkolben-Brennkraftmaschine durch Änderung der Totpunktpositionen
des Kolbens.
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Aus
DE 197 03 948 C1 ist eine Exzenter-Verstellvorrichtung
bekannt, die eine im Bereich einer Kurbelzapfenbohrung eines Pleuels
angeordnete, exzentrische Lagerschale aufweist, wobei durch Schwenken
der Lagerschale innerhalb der Kurbelzapfenbohrung, der Abstand einer
Kolbenbolzenachse von der zugeordneten Hubzapfenachse der Kurbelwelle
im Rahmen der Exzentrizität
der Lagerschale veränderbar
ist. Durch die Änderung
des Abstandes zwischen der Kolbenbolzenachse und der Kurbelzapfenachse
wird es möglich,
insbesondere die obere Totpunkt-Position des Kolbens – und damit das
Verdichtungsverhältnis – zu verändern. Durch die
Bereitstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse
wird es möglich,
den bei Betrieb eines Kraftfahrzeuges variierenden Motorbetriebsbedingungen, insbesondere
hinsichtlich Abgasqualität,
Wirkungsgrad und im Hochlastbereich, der Vermeidung von Motorklopfen
verbessert Rechnung zu tragen.
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Bei der genannten herkömmlichen
Exzenter-Verstellvorrichtung ist die hinsichtlich der Anordnung
ihrer Außen-
und Innenflächen
exzentrisch ausgebildete Lagerschale in zwei Extremstellungen an einem
Pleuelschaft arretierbar. Die Festlegung der Lagerschale in der
jeweils gewünschten
Extremstellung erfolgt durch einen Arretierstift, der über einen am
Pleueldeckel angeordneten Schalthebel betätigbar ist. Der Schalthebel
ist über
eine in der Ölwanne angeordnete
Schaltrinne in zwei verschiedene Rastpositionen auslenkbar. In einer
ersten Rastposition verriegelt der Arretierstift die Lagerschale
in einer Position, die minimale Verdichtungsverhältnisse herbeiführt. In
einer zweiten Position verriegelt der Raststift die Lagerschale
in einer um 180° geschwenkten
Position unter Bereitstellung maximaler Verdichtungsverhältnisse.
Das Schwenken der Lagerschale erfolgt durch an der Lagerschale angreifende
Reaktionskräfte.
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Aus
EP 0 438 121 A1 ist ebenfalls eine Exzenter-Verstellvorrichtung
für den
Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt. Abweichend von der vorangehend
beschriebenen Ausführungsform
erfolgt hier eine Betätigung
eines zur Lagerschalenfixierung vorgesehenen Arretierstiftes durch
Druckölkammern,
wobei der in diesen Druckölkammern
selektiv herrschende Öldruck über separate,
kurbelwellenseitig vorgesehene Ölbohrungen
aufbringbar ist.
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Bei den vorangehend beschriebenen
Exzenter-Verstellvorrichtungen besteht das Problem, daß die Arretierung
der Lagerschale unter Umständen erst
nach mehreren Lastspielen erfolgt, und die Lagerschale im entriegelten
Zustand undefiniert in dem entsprechenden Pleuelauge oszilliert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Exzenter-Verstellvorrichtung zu schaffen, bei welcher eine zur Änderung
der effektiven Pleuellänge vorgesehene
Exzenterschale, auf zuverlässige
Weise eine geforderte Funktionsstellung erreicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Exzenterverstellvorrichtung für einen Kurbeltrieb mit einer,
in einem Pleuelauge aufgenommenen Exzenterbuchse und einer Arretiereinrichtung zur
Arretierung der Exzenterbuchse in unterschiedlichen Drehpositionen,
wobei die Arretiereinrichtung Eingriffselemente aufweist, die selektiv
aus einer Verriegelungsposition in eine Freigabeposition bringbar sind,
in der eine Schwenkbewegung der Exzenterbuchse ermöglicht ist,
wobei sich diese Exzenterverstellvorrichtung dadurch auszeichnet,
daß an
der Exzenterbuchse eine Eingriffsstruktur ausgebildet ist, die im
Zusammenspiel mit der Arretiereinrichtung eine Sperreinrichtung
bildet, zur Unterbindung einer, einen festgelegten Winkelbereich überschreitenden, der
Weiterschaltrichtung entgegengesetzten Rückdrehbewegung der Exzenterbuchse.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte
Weise möglich,
die zur Veränderung
des Abstandes zwischen einer Kolbenbolzenachse und einer Kurbelzapfenachse
vorgesehene Exzenterbuchse, vermittels der an der Exzenterbuchse
angreifenden Lagerreaktionskräfte,
zuverlässig
in die gewünschte
Schaltposition zu schwenken.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ist die Arretiereinrichtung in das Pleuel eingebunden.
Eine unter montagetechnischen sowie auch unter fertigungstechnischen
Gesichtspunkten besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist
dabei dadurch gegeben, daß die
Arretiereinrichtung in einem Deckel des Pleuels im kurbelzapfennahen
Bereich aufgenommen ist. Dadurch wird es möglich, die Arretiereinrichtung
und den Pleueldeckel als vormontierte Baueinheit zusammen zu fassen,
die im Rahmen eines Motor-Montagevorganges
als solche auf die Exzenterbuchse aufgesetzt und mit dem Pleuelschaft
verschraubt werden kann. Die Arretiereinrichtung umfasst gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, eine, in einer parallel zur Kurbelzapfenachse ausgebildeten
Aufnahmebohrung, axial verschiebbare Sperrzapfenanordnung.
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Die Sperrzapfenanordnung ist vorzugsweise derart
ausgebildet, daß diese über eine
im Bereich des Kurbelgehäuses
angeordnete Schalteinrichtung betätigbar ist. Diese Schalteinrichtung
kann insbesondere eine Spulenanordnung aufweisen, zur Umschaltung
der Sperrzapfenanordnung durch ein selektiv aufgebrachtes Magnetfeld.
Alternativ hierzu – oder
auch in Kombination mit dieser Maßnahme – ist es möglich, die Betätigung der
Sperrzapfenanordnung auf hydrostatischem Wege beispielsweise über Öldruckkammern
vorzunehmen. Der hierzu erforderliche Öldruck kann beispielsweise über selektiv
ansteuerbare Druckölkanäle aufgebracht
werden, so daß die
Sperrzapfenanordnung infolge des in den Öldruckkammern herrschenden Öldruckes
umschaltbar ist.
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Die Sperrzapfenanordnung umfasst
vorzugsweise federbelastete Eingriffselemente, die bei Übereinkunft
mit entsprechenden Eingriffsgegenstrukturen federbelastet in Eingriffsstellung
treten. Eine im Hinblick auf eine besonders hohe Robustheit vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die Exzenter- Buchse mit einer Ringflanschstruktur
versehen ist, und die Eingriffsstruktur im Bereich der Ringflanschstruktur
ausgebildet ist, wobei die Sperrzapfenanordnung mit der Eingriffsstruktur
in Eingriff bringbar ist. Über
die genannte Ringflanschstruktur wird es möglich, die zur lagerichtigen
Positionierung der Exzenterbuchse erforderlichen Umfangskräfte, auf
zuverlässige
Weise in die Exzenterbuchse einzuleiten.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in
Verbindung mit der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 Eine
perspektivische Ansicht eines Pleuels mit einer im Bereich des Kurbelzapfenlagers angeordneten,
selektiv sperrbaren Exzenterbuchse;
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2a Einen
Axialschnitt durch die im Pleueldeckel angeordnete Arretiereinrichtung
zur Erläuterung
des Verriegelungszustandes in einer ersten Vollverriegelungsstellung;
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2b Eine
Schnittansicht ähnlich 2a jedoch mit einem, in
eine Freigabeposition verlagerten, Eingriffselement;
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2c Einen
Schnitt durch die Arretiereinrichtung in einer zweiten Sperrstellung.
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Das in 1 dargestellte
Pleuel umfaßt
einen Pleuelschaft 1, ein hier in Trapez-Bauform ausgebildetes
Kolbenbolzenauge 2 und ein von einem kurbelzapfenseitigen
Endabschnitt des Pleuelschafts 1 und einem Pleueldeckel 4 begrenztes
Kurbelzapfenauge 3.
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In dem Kolbenbolzenauge 2 ist
eine, aus einem Lagerwerkstoff gefertigte Kolbenbolzenbuchse 5 drehfest
verankert.
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In dem Kurbelzapfenauge 3 ist
eine axial geteilte Exzenterbuchse 6 derart schwenkbewegbar aufgenommen,
daß die
Exzenterbuchse 6 selektiv um die Zentralachse des Kurbelzapfenauges 3 schwenkbewegbar
ist.
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Die Exzenterbuchse 6 umfasst
eine auf dem Kurbelzapfen einer hier nicht näher dargestellten Kurbelwelle,
im Regelfall auf einem hydrodynamischen Schmierfilm aufsitzende,
aus einem Lagerwerkstoff gefertigte, Lauffläche 6a. Die Bereitstellung des
zur Ausbildung des hydrodynamischen Schmierfilms erforderlichen
Schmierstoffes erfolgt über Ölbohrungen 30,
die in Abhängigkeit
von der Drehposition der Exzenterbuchse 6 in dem Kurbelzapfenauge 3 mit
pleuelseitig vorgesehen Druckölkanälen in Fluidverbindung
stehen.
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Die Exzenterbuchse 6 ist
derart ausgebildet, daß die
durch diese gebildete, zylindrische Kurbelzapfenlauffläche 6a,
exzentrisch zu der ebenfalls durch die Exzenterbuchse 6 gebildeten,
in dem Kurbelzapfenauge 3 sitzenden, Exzenterbuchsenaußenfläche angeordnet
ist.
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Die Exzenterbuchse 6 ist
bei dieser Ausführungsform
im Bereich ihrer axialen Enden jeweils mit einem Ringflansch 7, 8 versehen,
wobei die jeweils in axialer Richtung nach außen weisende Stirnfläche des
Ringflansches im Zusammenspiel mit einer Kurbelzapfenwange eine
Seitenführungseinrichtung
bildet.
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Die axial geteilt ausgebildete Exzenterbuchse 6 wird
durch den Pleueldeckel 4 in dem Kurbelzapfenauge 3 zu
einem Lagerbuchsenelement zusammengehalten.
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Die Ringflansche 7, 8 sind
im Bereich von einander diametral gegenüberliegenden Umfangspositionen
mit einer Eingriffsstruktur 9 versehen, die mit einer Sperrzapfenanordnung 10 selektiv
in Eingriff bringbar ist.
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Die Sperrzapfenanordnung 10 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
in einem Ansatz 11 des Pleueldeckels 4 aufgenommen.
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Die Exzenterbuchse 6 ist
bei diesem Ausführungsbeispiel
durch die an der Exzenterbuchse 6 angreifenden Lagerreaktionskräfte, in
die durch das Pfeilsymbol P1 gekennzeichnete
Richtung, schwenkbar. Eine Schwenkbewegung der Exzenterbuchse in die
durch das Pfeilsymbol P2 gekennzeichnete
Richtung, wird unmittelbar nach einem Entriegeln der Exzenterbuchse 6,
durch einen im Zusammenhang mit der Entriegelung der Exzenterbuchse
aktivierten Sperrmechanismus, unterbunden. Einzelheiten zu der erfindungsgemäßen Entriegelung
der Exzenterbuchse 6 in dem Kurbelzapfenauge 3 werden
nachfolgend noch unter Bezugnahme auf die 2a; 2b und 2c beschrieben, wobei es
sich hierbei um Schnittansichten auf Höhe der in 1 dargestellten Schnittebene A handelt.
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Die in 2a dargestellte
Arretiereinrichtung 12 umfaßt eine Sperrzapfenanordnung
mit selektiv in eine Verriegelungsposition oder eine Freigabeposition
bringbaren Eingriffselementen 13, 14.
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Die Eingriffselemente 13, 14 sind
als federbelastete Zylinderzapfen ausgebildet und weisen jeweils
einen Eingriffsendabschnitt auf, der selektiv mit einer an dem benachbarten
Ringflansch 7, 8 der Exzenterbuchse 6 ausgebildeten
Eingriffsstruktur 9 in Eingriff bringbar ist. Bei dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel,
ist die exzenterbuchsenseitig vorgesehene Eingriffsstruktur 9 als
im wesentlichen halbzylinderförmige,
in den jeweiligen Ringflansch 7, 8 vom Außenumfang
her, radial eintauchende Ausbuchtung ausgebildet.
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Die Eingriffselemente 13, 14 sind
durch Federeinrichtungen 15, 16 vorgespannt. Die
Federeinrichtungen 15, 16 stützen sich bei diesem Ausführungsbeispiel
zwischen den Eingriffselementen 13, 14 und einem
zentralen Lagerkörper 17 ab.
Der zentrale Lagerkörper 17 sitzt
in einer Gleitbuchse 18, die über einen hier nicht näher dargestellten
Betätigungsmechanismus
zwischen der hier gezeigten ersten Schaltstellung und der in den 2b und 2c angedeuteten zweiten Schaltstellung,
verschiebbar ist.
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Die Gleitbuchse 18 ist durch
eine, in den Pleueldeckel 4 integrierte Halteeinrichtung 19,
in der jeweiligen Schaltstellung fixierbar.
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Die Halteeinrichtung 19 umfaßt hierbei
Halteelemente 20, die durch Haltefedern 21 radial
gegen einen Umfangsnutabschnitt der Gleitbuchse 18 gedrängt sind.
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In dem Umfangsnutabschnitt sind zwei
tiefer liegende Rinnen ausgebildet, in die jene federbelasteten
Halteelemente 20 eintauchen können und dabei die Gleitbuchse 18 in
axialer Richtung fixieren.
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Die Betätigung der vorangehend beschriebenen
Arretiereinrichtung kann beispielsweise durch Öldruck – oder wie für das vorliegende
Ausführungsbeispiel
vorgesehen, auf elektromagnetischem Wege erfolgen.
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In der in 2a gezeigten Schaltstellung steht das
Eingriffselement 13 mit dem ersten Ringflansch 7,
bzw. mit der darin ausgebildeten Eingriffsstruktur 9, formschlüssig in
Eingriff. Das über
den zentralen Körper 17 mit
dem ersten Eingriffselement 13 gekoppelte, zweite Eingriffselement 14,
taucht in dieser Schaltstellung derart weit in den Pleueldeckel 4 hinein
ab, daß dieses
zweite Eingriffselement 14 keine Verriegelung verursacht.
Die Exzenterbuchse 6 ist in dieser Schaltstellung in Umfangsrichtung
undrehbar in dem Kurbelzapfenauge 3 arretiert.
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Zur Umschaltung der Exzenterbuchse 6 in eine
um 180° gedrehte
Wirkstellung wird zunächst die
Gleitbuchse 18 in die in die 2b gezeigte
Stellung verschoben. Hierzu wird auf die Gleitbuchse 18 eine
Kraft aufgebracht, die die Halteelemente 20 zunächst in
radialer Richtung aus der in dieser Darstellung unteren Umfangsrinne
der Umfangsnut der Gleitbuchse 18 heraus drängt. Nachdem
die Gleitbuchse 18, die hier gezeigte Endstellung erreicht
hat, tauchen die Halteelemente 20 in die obere Umfangsrinne
ein und fixieren die Gleitbuchse 18 in der dargestellten
Position. In dieser Schaltstellung gerät das erste Eingriffselement 13 außer Eingriff
mit der Eingriffsstruktur 9, die in dem ersten Ringflansch 7 ausgebildet
ist.
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Das zweite Eingriffselement 14 wird
durch die zwischen diesem zweiten Eingriffselement 14 und dem
zentralen Lagerkörper 17 vorgesehene
Federeinrichtung 16, gegen einen Laufbahnabschnitt 22 gedrängt, der
in einer, dem Pleuelschaft zugewandten Innenseite des zweiten Ringflansches 8 ausgebildet
ist. Dieser Laufbahnabschnitt erstreckt sich über einen Umfangswinkel von
ca. 180° (ausgehend
von einer axialen Projektion der Eingriffsstruktur 9 auf den
gegenüberliegenden
Ringflansch) zu einer, bezogen auf die Kurbelzapfenachse, diametral
gegenüberliegenden
Umfangsposition. An dieser Umfangsposition befindet sich, die in 2c sichtbare, in dem zweiten
Ringflansch 8 ausgebildete, Eingriffsstruktur 9b.
Die Federeinrichtung 16 ist derart ausgebildet, daß die durch
diese aufgebrachte Federkraft schwächer ist, als die durch die
Halteelemente 20 auf die Gleitbuchse 18 aufgebrachten
Arretier-Haltekräfte. Das
Eingriffselement 14 sitzt in dieser Schaltstellung federbelastet
auf dem Laufbahnabschitt 22 auf.
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Am Ende des Laufbahnabschnitts 22 befindet
sich eine Laufbahnstufe 23, die hier eine mit dem Eingriffselement 14 in
Eingriff tretende Anschlagfläche
bildet, und eine Schwenkbewegung der Exzenterbuchse 6 nur
in die hier durch das Pfeilsymbol P1 angedeutete
Drehrichtung zuläßt.
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Wird die Exzenterbuchse 6 durch
die daran angreifenden Lagerreaktionskräfte um 180° gedreht, so kann der bis Erreichen
dieser Stellung auf dem Laufbahnabschnitt 22 gleitende
Stirnflächenabschnitt des
Eingriffselements 14 in die Eingriffsstruktur 9b eintreten,
wie dies in 2c dargestellt
ist.
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Sobald das Eingriffselement 14 in
die Eingriffsstruktur 9b eintaucht, ist der zweite Ringflansch 8,
und über
diesen die gesamte Exzenterbuchse 6 in dem Kurbelzapfenauge 3 in
Umfangsrichtung fixiert.
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Um den in 2c dargestellten Verriegelungszustand
aufzuheben, muß zunächst die
Gleitbuchse 18 wieder in die wie in 2a angedeutete Axialposition verschoben
werden. Hierbei wird, wie vorangehend in 2b für
das Eingriffselement 14 beschrieben, nunmehr das Eingriffselement 13 unter Belastung
der Federeinrichtungen 15, gegen einen Laufbahnabschnitt 24 gedrängt, der
sich im Bereich einer einem Pleuelschaft zugewandten Innenfläche des
ersten Ringflansches 7 befindet. Dieser Laufbahnabschnitt 24 erstreckt
sich von der hier erkennbaren, dem Eingriffselement 13 benachbarten
Umfangsabschnitt, bis zu der in 2a dargestellten Eingriffsstruktur 9a.
Eine unzulässige
Drehung der Exzenterbuchse entgegen der in 2b durch das Pfeilsymbol P1 angedeuteten
Drehrichtung wird in diesem Falle durch die am Ende des Laufbahnabschnitts 24 analog
zum Laufbahnabschnitt 22 ausgebildete Laufbahnstufe 25 verhindert.
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Es ist möglich, den Laufbahnabschnitt 24 derart
auszubilden, daß dieser
mindestens eine zusätzliche
Laufbahnstufe 23 bildet, die im Zusammenspiel mit dem jeweils
darauf laufenden, federbelasteten Eingriffselement 14 eine
Rücklaufsperreinrichtung
bildet, durch welche ein unzulässig
weites Zurückschwenken
der Exzenterbuchse vermieden wird.
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Die als Exzenterbuchse ausgebildete
Lagerschale und die, Teil einer Schalteinrichtung bildende Sperrzapfenanordnung
ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
derart gestaltet, daß mit
dem Auslösen
des Entriegelungsvorganges, im wesentlichen simultan, ein Rückdrehsperrmechanismus
aktiviert wird. Wie in den 2a, 2b und 2c dargestellt, wird beim Umschalten,
auf der dem jeweils verriegelten Flansch gegenüberliegenden Flanschseite ein
Anlagekontakt eines Sperrabschnittes herbeigeführt. Der hier unter Federbelastung
bewirkte Anlagekontakt führt
dazu, daß eine
Sperrstruktur formschlüssig
mit einer im Bereich des Flansches vorgesehenen Anschlag zusammenwirken
kann und dabei ein Verdrehen der Exzenterschale in ungewollter Richtung, nach
der Freigabe der Exzenterschale, verhindert ist. Sobald sich die
Exzenterschale um den Umschaltwinkel von insbesondere 180° in die angestrebte neue
Wirkstellung gedreht hat, kann die federbelastete, zunächst die
Rückdrehung
verhindernde Sperrstruktur mit dem Flansch in einen Verriegelungseingriff
treten und über
diesen die Exzenterbuchse wiederum in dem Pleuelauge fixieren. In
vorteilhafter Weise wird hierbei die jeweils erforderliche Rückdrehsperrwirkung
im Zusammenspiel von Lagerschale und dem mit diesem selektiv in
Eingriff bringbaren Sperrorganen erreicht.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Es ist auch möglich,
die bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im Zusammenspiel
mit der Arretiereinrichtung verwirklichte Rückdrehsperre konstruktiv abweichend
auszuführen.
Insbesondere ist es möglich,
die Verriegelung der Exzenterbuchse durch radial auslenkbare Verriegelungsorgane
zu bewerkstelligen.
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- 1
- Pleuelschaft
- 2
- Kolbenbolzenauge
- 3
- Kurbelzapfenauge
- 4
- Pleueldeckel
- 5
- Kolbenbolzenachse
- 6
- Exzenterbuchse
- 6a
- Kurbelzapfenlauffläche
- 7
- Ringflansch
- 8
- Ringflansch
- 9a
- Eingriffsstruktur
- 9b
- Eingriffsstruktur
- 10
- Sperrzapfenanordnung
- 11
- Ansatz
- 13
- Eingriffselemente
- 14
- Eingriffselemente
- 15
- Federeinrichtungen
- 16
- Federeinrichtungen
- 17
- zentraler
Lagerkörper
- 18
- Gleitbuchse
- 19
- Halteeinrichtung
- 20
- Haltekörper
- 21
- Haltefedern
- 22
- Laufbahnabschnitt
- 23
- Laufbahnstufe
- 24
- Laufbahnabschnitt
- 25
- Laufbahnstufe
- 30
- Ölbohrungen