DE102018122118B3

DE102018122118B3 - Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis

Info

Publication number: DE102018122118B3
Application number: DE102018122118.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Misala
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung (12) eines Pleuels (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, bei dem- ein erster Kolben (17) der Exzenterverstelleinrichtung (12) mit einem darin eingesetzten, um seine Längsachse drehbaren Exzenterarretierungsmittel (19) sowie einem Federmittel (27), das zwischen dem ersten Kolben (17) und dem Exzenterarretierungsmittel (19) angeordnet ist, in eine erste Hydraulikkammer (20) des Pleuels (1) eingesetzt wird,- der erste Kolben (17) derart innerhalb der ersten Hydraulikkammer (20) gelagert wird, dass er verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer (20) in axialer Richtung bewegbar ist,- ein Axiallager für das Exzenterarretierungsmittel (19) gebildet wird,- ein Exzenter (10) in ein Pleuellagerauge (9) des Pleuels (1) eingesetzt wird und mit dem Exzenterarretierungsmittel (19) in Wirkverbindung gebracht wird,- ein zweiter Kolben (18) der Exzenterverstelleinrichtung (12) zusammen mit einer daran gelagerten Stützstange (15) und einem an der Stützstange (15) gelagerten Verstellhebel (13) in eine zweite Hydraulikkammer (21) des Pleuels (1) eingesetzt wird, und- der Verstellhebel (13) mit dem Exzenter (10) verbunden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen spielen konstruktive Maßnahmen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und damit auch zur Reduktion von Emissionen eine wichtige Rolle, um zum Beispiel zukünftige Gesetzesvorgaben unter realen Fahrbedingungen erfüllen zu können. Mögliche Ansatzpunkte sind hierbei die Optimierung von Verbrennungsprozessen sowie Maßnahmen zur Verringerung mechanischer Verluste. Eine vielversprechende Technologie stellen Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einem variablen Verdichtungsverhältnis dar („Variable Compression Ratio“; VCR). Diese weisen Pleuel auf, bei denen die Möglichkeit besteht, durch die Verstellung eines in einem Pleuellagerauge angeordneten Exzenters eine effektive Pleuellänge zu variieren.
Aus dem Stand der Technik sind bereits entsprechende Pleuel der eingangs genannten Art, die für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgesehen sind und die häufig auch als VCR-Pleuel bezeichnet werden, bekannt. Ein möglichst hohes Verdichtungsverhältnis, welches durch das Verhältnis eines Zylinderraumvolumens der Hubkolbenbrennkraftmaschine vor und nach einer Verdichtung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs definiert ist, wirkt sich generell positiv auf den Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine aus. Um bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere bei Ottomotoren, in einem Volllastbetrieb ein so genanntes Klopfen zu vermeiden, ist die Größe des Verdichtungsverhältnisses begrenzt. In einem Teillastbetrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine, der in einem realen Betrieb weitaus häufiger auftritt als der Volllastbetrieb und in dem die Zylinderfüllung geringer als im Volllastbetrieb ist, besteht die Möglichkeit, ein höheres Verdichtungsverhältnis zu wählen. Somit ist es vorteilhaft, das Verdichtungsverhältnis bedarfsgerecht anpassen zu können.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Pleuel, die für Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgesehen sind, weisen zwei Hydraulikkammern auf, die über ein Steuerventil mit einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, selektiv befüllt beziehungsweise entleert werden können, so dass innerhalb der Hydraulikkammern angeordnete Kolben in axialer Richtung bewegt werden können. Abhängig von der Ventilstellung des Steuerventils kann eine effektive Pleuellänge mittels einer Exzenterverstelleinrichtung von einer ersten Stellung, in der die effektive Pleuellänge minimal ist, in eine zweite Stellung, in der die effektive Pleuellänge maximal ist, und umgekehrt verstellt werden. Über die jeweilige Stellung kann ein variabler Hub eines Kolbens der Hubkolbenbrennkraftmaschine eingestellt werden. Damit die Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammern einströmen beziehungsweise aus diesen ausströmen kann, ist ein entsprechendes Leitungssystem innerhalb des Pleuelgrundkörpers ausgebildet. Die unterschiedlichen Arbeitsstellungen des Pleuels mit maximaler beziehungsweise minimaler effektiver Pleuellänge werden dadurch erreicht, dass in die erste Hydraulikkammer, welche der Massenkraftseite der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist, beziehungsweise in die zweite Hydraulikkammer, welche der Gaskraftseite der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist, eine Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Motoröl, als Arretiermedium eingebracht wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Pleueln besteht das Problem, dass es bei höheren Motordrehzahlen aufgrund der dann ansteigenden Gas- und Massenkräfte zu einer Schwingbewegung der Exzenterverstelleinrichtung kommen kann. Die hierbei wirkenden Kräfte führen zu einer Kompression der in der Theorie inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit. Der steigende Druck in den mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllten Hydraulikkammern kann unter Umständen zu Leckströmen an den Kolbendichtungen führen, die zu einer weiteren Verstärkung der Schwingungsamplituden beitragen können.
Somit wird nach Möglichkeiten gesucht, um die Schwinganfälligkeit der Exzenterverstelleinrichtung zu reduzieren beziehungsweise sogar komplett zu unterbinden. Mögliche Ansätze, um die auf die Hydraulikflüssigkeitssaule innerhalb der Hydraulikkammern wirkende Last zu verringern, bestehen zum Beispiel darin, die Kolbenoberfläche zu vergrößern oder die Hebelverhältnisse der Exzenterverstelleinrichtung zu verändern. Diese Lösungskonzepte können jedoch aufgrund unterschiedlicher Zielkonflikte nicht oder nur mit großem Aufwand umgesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit kann darin bestehen, die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit anzupassen. Dieser Ansatz ist jedoch wenig praktikabel.
Die DE 10 2016.114 978 A1 offenbart ein längenvariables Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Hydraulikkammern, zwei Kolben, einer Exzenterverstelleinrichtung sowie einem Exzenterarretierungsmittel.
Die DE 10 2018 111 435 A1 zeigt ein längenvariables Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit zwei Hydraulikkammern, zwei Kolben, einer Exzenterverstelleinrichtung und einem Federmittel in einer Hydraulikkammer.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, ein Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis zur Verfügung zu stellen, das eine einfache Montage der Exzenterverstelleinrichtung ermöglicht und darüber hinaus insbesondere auch zu einer Verringerung der Schwinganfälligkeit der Exzenterverstelleinrichtung beiträgt.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis zeichnet sich dadurch aus, dass

- ein erster Kolben der. Exzenterverstelleinrichtung mit einem darin eingesetzten, um seine Längsachse drehbaren Exzenterarretierungsmittel sowie einem Federmittel, das zwischen dem ersten Kolben und dem Exzenterarretierungsmittel angeordnet ist, in eine erste Hydraulikkammer des Pleuels eingesetzt wird,
- der erste Kolben derart innerhalb der ersten Hydraulikkammer gelagert wird, dass er verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer in axialer Richtung bewegbar ist,
- ein Axiallager für das Exzenterarretierungsmittel gebildet wird,
- ein Exzenter in ein Pleuellagerauge des Pleuels eingesetzt wird und mit dem Exzenterarretierungsmittel in Wirkverbindung gebracht wird,
- ein zweiter Kolben der Exzenterverstelleinrichtung zusammen mit einer daran gelagerten Stützstange und einem an der Stützstange gelagerten Verstellhebel in eine zweite Hydraulikkammer des Pleuels eingesetzt wird, und
- der Verstellhebel mit dem Exzenter verbunden wird.

Durch das Pleuel mit der in der vorstehend beschriebenen Weise montierten Exzenterverstelleinrichtung mit einem Exzenterarretierungsmittel wird die Möglichkeit geschaffen, den Exzenter auf einfache Weise in zumindest einer seiner Endpositionen sicher zu arretieren, so dass die Schwinganfälligkeit der Exzenterverstelleinrichtung wirksam verringert werden kann. Die grundlegende Verstellbewegung der Exzenterverstelleinrichtung, die zu einer Verstellung des Exzenters und damit zu einer Änderung der effektiven Pleuellänge führt, wird durch entsprechende Massen- und Gaskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine hervorgerufen, welche bei einem Arbeitstakt auf die Exzenterverstelleinrichtung einwirken. Die verdrehsichere Anordnung des ersten Kolbens innerhalb der ersten Hydraulikkammer trägt ebenfalls zu einer Verringerung der Schwinganfälligkeit der Exzenterverstelleinrichtung bei. Die Montage der Exzenterverstelleinrichtung kann dabei sehr einfach und intuitiv erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der erste Kolben mittels eines ersten Lagermittels, insbesondere einer Nadelrolle, das in das Pleuel eingesetzt wird, verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer angeordnet wird. Vorzugsweise kann das erste Lagermittel derart innerhalb des Pleuels positioniert werden, dass es in eine Abflachung auf einer Mantelfläche des ersten Kolbens eingreift. Dadurch wird auf einfache Weise eine verdrehsichere Anordnung des ersten Kolbens innerhalb der ersten Hydraulikkammer geschaffen, die dennoch eine axiale Verschiebbarkeit des ersten Kolbens innerhalb der ersten Hydraulikkammer gewährleistet.
Um einen besonders sicheren Halt des ersten Lagermittels zu erreichen, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass das erste Lagermittel, insbesondere die Nadelrolle, in eine Bohrung des Pleuels eingepresst wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein Arretierungsabschnitt des Exzenterarretierungsmittels formschlüssig mit einer Schaltkulisse in einer Mantelfläche des Exzenters verbunden wird. Dabei bildet die Schaltkulisse auf der Mantelfläche des Exzenters geometrisch die Abwicklung der „Gegengeometrie“ zum Arretierungsabschnitt des Exzenterarretierungsmittels. Mit anderen Worten entsteht der Verlauf der Schaltkulisse am Exzenter in Folge einer Abwicklung um die Exzenterachse in Verbindung mit der dazugehörigen Verdrehung des Arretierungsabschnitts des Exzenterarretierungsmittels um dessen Drehachse. Die radiale Geometrie des Arretierungsabschnitts wird somit durch die Abwicklung einer schiefen Ebene gebildet. Grundsätzlich kann diese winkelorientiert diverse Steigungen aufweisen, so dass ganz gezielt entsprechende Kräfteverhältnisse erzeugt werden können. Um das Exzenterarretierungsmittel jedoch weitgehend unabhängig gegenüber möglichen Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszuführen, ist es vorteilhaft, für die Auslegung eine konstante Steigung vorzusehen. Vorzugsweise kann die Schaltkulisse bahnkurvenartig geformt sein. Der Arretierungsabschnitt und die Schaltkulisse des Exzenters weisen also miteinander korrespondierende Formgestaltungen auf, die bewirken, dass der Arretierungsabschnitt permanent mit der bahnkurvenartig geformten Schaltkulisse des Exzenters in Kontakt steht und dadurch die formschlüssige Verbindung schafft. Der Arretierungsabschnitt stellt dauerhaft eine formschlüssige Verbindung des Exzenterarretierungsmittels mit dem Exzenter zur Verfügung, so dass der Exzenter in einer ersten Stellung, in der die effektive Pleuellänge minimal ist, und in einer zweiten Stellung, in der die effektive Pleuellänge maximal ist, arretierbar ist.
Die Auslegung des Arretierungsmechanismus basiert auf einem versetzten Kraftangriff zwischen dem Exzenter und dem drehbaren Exzenterarretierungsmittel und ähnelt dem Aufbau eines Schneckenradgetriebes, wobei der Exzenter aus funktionaler Sicht dem Schneckenrad und das drehbare Exzenterarretierungsmittel der Schnecke des Schneckenradgetriebes entspricht. Aus dem am Exzenter anliegenden Drehmoment resultiert durch Kräftezerlegung eine entlang der Drehachse des Exzenterarretierungsmittels orientierte Kraftkomponente sowie darüber hinaus eine radial zu der Drehachse orientierte Kraftkomponente. Die entlang der Drehachse wirkende Kraftkomponente wird vom Axiallager, aufgefangen und erzeugt dabei eine Reibkraft, welche der Drehbewegung am Hebelarm des Lagerradius entgegenwirkt und somit die Drehbewegung des Exzenterarretierungsmittels hemmt. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das Axiallager durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut innerhalb des Exzenterarretierungsmittels und ein zweites Lagermittel, insbesondere eine Nadelrolle, das in das Pleuel eingesetzt wird und in die Nut eingreift, gebildet wird. Vorzugsweise kann das zweite Lagermittel, insbesondere die Nadelrolle, in eine Bohrung des Pleuels eingepresst werden, um dadurch einen besonders sicheren Halt des ersten Lagermittels zu erreichen.
Um einen sicheren Halt des Exzenters an dem Verstellhebel zu bewirken, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Exzenter mit seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten an zwei voneinander beabstandeten Hebelarmen des Verstellhebels befestigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der erste Kolben mittels eines ersten Lagermittels, insbesondere einer Nadelrolle, das in den Pleuelgrundkörper eingesetzt ist und in eine Abflachung auf einer Mantelflache des ersten Kolbens eingreift, verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass sich der erste Kolben innerhalb der ersten Hydraulikkammer zwar in axialer Richtung bewegen, sich aber nicht verdrehen kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das Axiallager durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut, die zwischen dem Arbeitsgewinde und dem Arretierungsabschnitt ausgebildet ist, und ein zweites Lagermittel, insbesondere eine Nadelrolle, das in den Pleuelgrundkörper eingesetzt ist und in die Nut eingreift, gebildet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Exzenterverstelleinrichtung ein Federmittel aufweist, welches dazu ausgebildet ist, eine Rückstellkraft für den ersten Kolben bereitzustellen. Die mechanische Vorspannung des Federmittels und dessen Lage sowie die Lage des ersten Kolbens innerhalb der ersten Hydraulikkammer können in geeigneter Weise angepasst werden. Das Federmittel ist dazu eingerichtet, eine mechanische Vorspannung zur Verfügung zu stellen, so dass bei einer Änderung einer Schaltstellung eines Steuerventils, das an ein Leitungssystem zum Zu- beziehungsweise Abführen von Hydraulikflüssigkeit angeschlossen ist, die Hydraulikflüssigkeit durch die Einwirkung der Rückstellkraft des Federmittels, die auf den ersten Kolben wirkt, aus der ersten Hydraulikkammer herausgedruckt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen

1 eine Explosionsansicht eines Pleuels für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, welches gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
2 eine teilweise geschnittene Darstellung des Pleuels gemäß 1,
3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils eines Exzenterarretierungsmittels einer Exzenterverstelleinrichtung,
4a bis 4h mehrere perspektivische und teilweise vergrößerte Darstellungen, die Einzelheiten einer Montage der Exzenterverstelleinrichtung und eines Exzenters des Pleuels veranschaulichen,
5 eine Detailansicht eines Teils eines Pleuelgrundkörpers mit einem darin eingepressten Steuerventil,
6 eine Detailansicht des Teils des Pleuelgrundkörpers gemäß 5 nach einem zusätzlichen Verprägen des Steuerventils mit dem Pleuelgrundkörper,
7 eine perspektivische Darstellung, die das Zusammenwirken eines Exzenterarretierungsmittels mit dem Exzenter veranschaulicht.

Unter Bezugnahme auf 1 und 2 umfasst ein Pleuel 1; welches gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist und das für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis vorgesehen ist, einen Pleuelgrundkörper 2 und einen Pleueldeckel 3, die mittels zweier Montageschrauben 4, 5 miteinander verbunden sind. Um die Montage des Pleueldeckels 3 an dem Pleuelgrundkörper 2 zu vereinfachen, sind zwei zylindrisch geformte Zentrierstifte 6, 7 vorgesehen, die bei der Montage in zwei paarweise miteinander fluchtende Montagebohrungen des Pleuelgrundkörpers 2 und des Pleueldeckels 3 (jeweils nicht mit Bezugszeichen versehen) eingesetzt werden, bevor diese mittels der beiden Montageschrauben 4, 5 miteinander verschraubt werden.
Der Pleuelgrundkörper 2 und der Pleueldeckel 3 sind so geformt, dass sie nach der Montage gemeinsam ein Hublagerauge 8 bilden, welches häufig auch als großes Pleuelauge bezeichnet wird. Mittels des Hublagerauges 8 kann das Pleuel 1 an eine Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis angeschlossen werden. Innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 ist ein Pleuellagerauge 9 ausgebildet, welches häufig auch als kleines Pleuelauge bezeichnet wird. Mittels des Pleuellagerauges 9 kann das Pleuel 1 an einen Zylinderkolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine angeschlossen werden.
Innerhalb des Pleuellagerauges 9 ist ein Exzenter 10 mit einer Exzenterbohrung 11 untergebracht, der an eine Exzenterverstelleinrichtung 12 angeschlossen ist, die eine Rotationsbewegung des Exzenters 10 aus einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewirken kann, wodurch eine effektive Pleuellänge, die durch den Abstand einer Mittelachse des Hublagerauges 8 von einer Mittelachse der Exzenterbohrung 11 des Exzenters 10 definiert ist, variiert werden kann. Innerhalb der Exzenterbohrung 11 ist ein hier nicht explizit dargestellter Kolbenbolzen des Zylinderkolbens aufgenommen. Eine Veränderung der effektiven Pleuellänge von einer ersten Stellung, in der diese minimal ist, in eine zweite Stellung, in der diese maximal ist, hat einen Einfluss auf das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenbrennkraftmaschine, welches somit variiert werden kann.
Eine Verstellbewegung der Exzenterverstelleinrichtung 12, die zu einer Verstellung des Exzenters 10 und damit zu einer Änderung der effektiven Pleuellänge führt, wird durch Massen- und Gaskräfte der Hubkolbenbrennkraftmaschine hervorgerufen, welche bei einem Arbeitstakt auf die Exzenterverstelleinrichtung 12 einwirken. Insbesondere verändern sich während eines Arbeitstaktes die Wirkrichtungen der auf die Exzenterverstelleinrichtung 12 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Einzelheiten der Verstellung des Exzenters 10 werden weiter unten noch näher erläutert.
Die Exzenterverstelleinrichtung 12 weist einen ersten Kolben 17 auf, der einer Massenkraftseite (kurz: MKS) der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist. In den ersten Kolben 17 ist ein mechanisches Exzenterarretierungsmittel 19 eingesetzt, das ein Arbeitsgewinde 190 in Form eines Spindelantriebs und an seinem freien oberen Ende einen Arretierungsabschnitt 191 aufweist. Ferner ist ein Federmittel 27 vorgesehen, das vorzugsweise als Schenkelfeder ausgebildet ist und zwischen dem ersten Kolben 17 und dem Arretierungsabschnitt 191 angeordnet ist und durch das sich das Arbeitsgewinde 190 hindurch erstreckt. In einem komprimierten Zustand stellt dieses Federmittel 27 eine Rückstellkraft für den ersten Kolben 17 zur Verfügung. Innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 ist eine erste Hydraulikkammer 20 ausgebildet, die als Zylinderbohrung ausgeführt ist und in die - wie in 2 zu erkennen - der erste Kolben 17 in axialer Richtung gegen die Rückstellkraft des Federmittels 27 verschiebbar angeordnet ist. Die mechanische Vorspannung des Federmittels 27 und dessen Lage sowie die Lage des ersten Kolbens 17 innerhalb der ersten Hydraulikkammer 20 können in geeigneter Weise angepasst werden.
Die Exzenterverstelleinrichtung 12 weist an einer Gaskraftseite (kurz: GKS), welche der Massenkraftseite gegenüberliegt, einen Verstellhebel 13 auf, der zwei voneinander beabstandete, sich im Wesentlichen parallel zueinander erstreckende Hebelarme 130, 131 umfasst, die jeweils eine Montageöffnung 132, 133 aufweisen. Die beiden Montageöffnungen 132, 133 sind so geformt und dimensioniert, dass der innerhalb des Pleuellagerauges 9 angeordnete Exzenter 10 beidseitig in die Montageöffnungen 132, 133 der beiden Hebelarme 130, 131 eingreifen kann und dadurch von diesen gehalten werden kann. Der Verstellhebel 13 ist mittels eines Lagermittels 14, das vorzugsweise als Nadelrolle ausgebildet ist, an einem ersten Ende einer Stützstange 15 angebracht. Ein zweites Ende der Stützstange 15, welches, dem ersten Ende gegenüberliegt, ist mit Hilfe eines Lagermittels 16, das vorzugsweise ebenfalls als Nadelrolle ausgebildet ist, mit einem zweiten Kolben 18, verbunden, welcher somit der Gaskraftseite (GKS) der Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet ist. Innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 ist eine zweite Hydraulikkammer 21 ausgebildet, die als Zylinderbohrung ausgeführt ist. In die zweite Hydraulikkammer 21 ist - wie in 2 zu erkennen - der zweite Kolben 18 zusammen mit der daran gelagerten Stützstange 15 in axialer Richtung verschiebbar angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4a bis 4h sollen nachfolgend Einzelheiten der Montage der Exzenterverstelleinrichtung 12 sowie des Exzenters 10 näher erläutert werden. Aus 3 wird deutlich, dass das Exzenterarretierungsmittel 19 eine umlaufende Nut 192 aufweist, die zwischen dem Arbeitsgewinde 190 und dem Arretierungsabschnitt 191 ausgebildet ist.
Wie in 4a bis 4c zu erkennen, wird in einem ersten Schritt der erste Kolben 17 mit dem darin eingesetzten Exzenterarretierungsmittel 19 sowie dem Federmittel 27 in die erste Hydraulikkammer 20 eingesetzt. Anschließend wird - wie in 4d und 4e zu erkennen -, ein erstes Lagermittel 28, das vorzugsweise als Nadelrolle ausgebildet ist, in eine erste Bohrung (nicht mit Bezugszeichen versehen) des Pleuelgrundkörpers 2 eingepresst. Die erste Bohrung ist so angeordnet, dass das erste Lagermittel 28 in einer Montagesolllage an einer länglichen Abflachung 170 anliegt, die in einer Mantelfläche des ersten Kolbens 17 ausgebildet ist und insbesondere nutartig geformt sein kann. Mit Hilfe des insbesondere als Nadelrolle ausgebildeten ersten Lagermittels 28 kann wirksam verhindert werden, dass sich der erste Kolben 17 bei der axialen Hubbewegung innerhalb der ersten Hydraulikkammer 20 um seine Längsachse drehen kann. Dieses erfolgt durch die spezielle Formgebung der Abflachung 170 in der Mantelfläche des ersten Kolbens 17, in die das erste Lagermittel 28 eingreift.
Wie aus 4f ersichtlich, wird in einem nächsten Schritt ein zweites Lagermittel 29, das vorzugsweise ebenfalls als Nadelrolle ausgebildet ist, in eine zweite Bohrung (nicht mit Bezugszeichen versehen) eingepresst. Diese zweite Bohrung ist oberhalb der ersten Bohrung derart positioniert, dass das zweite Lagermittel 29 in seiner Montagesolllage in die umlaufende Nut 192 des Exzenterarretierungsmittels 19 eingreift. Das vorzugsweise als Nadelrolle ausgebildete zweite Lagermittel 29 sowie die umlaufende Nut 192 des Exzenterarretierungsmittels 19 bilden aus funktionaler Sicht ein Axiallager für den Arretierungsabschnitt 191 des Exzenterarretierungsmittels 19. Dieses Axiallager verhindert, dass sich der Arretierungsabschnitt 191 in axialer Richtung bewegen kann. Anderseits ermöglicht es das Axiallager, dass sich das Exzenterarretierungsmittel 19 und damit auch der Arretierungsabschnitt 191 um die Längsachse des Exzenterarretierungsmittels 19 drehen können.
In einem nächsten Schritt (siehe 4g) wird der Exzenter 10 in das Pleuellagerauge 9 des Pleuelgrundkörpers 2 eingesetzt. Nachfolgend werden der zweite Kolben 18 zusammen mit der daran gelagerten Stützstange 15 und dem an der Stützstange 15 gelagerten Verstellhebel 13 in die zweite Hydraulikkammer 21 eingesetzt. Die beiden Hebelarme 130, 131 werden so positioniert, dass der Exzenter 10 mit seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten in die Montageöffnungen 132, 133 der Hebelarme 130, 131 eingreifen kann und von diesen drehbeweglich gehalten werden kann.
Die beiden Kolben 17, 18 werden während des Betriebs der mit dem Pleuel 1 ausgestatteten Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagt, so dass die Hydraulikflüssigkeit die Verstellbewegung der Exzenterverstelleinrichtung 12 unterstützen kann beziehungsweise ein Rückstellen der Exzenterverstelleinrichtung 12 verhindern kann, indem die Hydraulikflüssigkeit selektiv auf die beiden Kolben 17, 18 einwirkt.
Innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 ist ein Leitungssystem 22 untergebracht, das so ausgebildet ist, dass die beiden Hydraulikkammern 20, 21 selektiv mit der Hydraulikflüssigkeit versorgt werden können beziehungsweise die Hydraulikflüssigkeit selektiv aus den Hydrauklikkammern 20, 21 ausgeleitet werden kann.
Das Leitungssystem 22 ist zu diesem Zweck mit entsprechenden Leitungen 220, 221, 223, 224 ausgestattet, die Zu- und Abläufe für.die Hydraulikflüssigkeit bilden und es ermöglichen, dass die Hydraulikflüssigkeit selektiv in die Hydraulikkammern 20, 21 einströmen beziehungsweise aus diesen ausströmen kann. Wie in 2 zu erkennen, ist jeder der beiden Hydraulikkammern 20, 21 jeweils ein Rückschlagventil 23, 24 zugeordnet. Die Rückschlagventile 23, 24 sind innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 angeordnet und mit diesem verpresst. Die Rückschlagventile 23, 24 sind einerseits dazu eingerichtet, ein Zurückfließen der Hydraulikflüssigkeit aus den Hydraulikkammern 20, 21 zurück in das Leitungssystem 22 zu verhindern, und anderseits ein Ansaugen von Hydraulikflüssigkeit zu ermöglichen.
Das Pleuel 1 weist ferner ein Steuerventil 25 auf, das innerhalb des Pleuelgrundkörpers 2 angeordnet ist und das dazu eingerichtet ist, den Verstellweg der Exzenterverstelleinrichtung 12 zu steuern. Zu diesem Zweck ist das Steuerventil 25, das insbesondere als mechanisches Ventil oder als Hydraulikventil ausgebildet sein kann, an das Leitungssystem 22 angeschlossen, um in entsprechenden Schaltstellungen ein selektives Ausströmen beziehungsweise Einströmen der Hydraulikflüssigkeit aus den beiden Hydraulikkammern 20, 21 heraus beziehungsweise in die beiden Hydraulikkammern 20, 21 hinein zu ermöglichen.
Wie in 5 zu erkennen, wird das Steuerventil 25 bei der Montage zunächst mit einer Aufnahmeöffnung 26, die innerhalb des Pleuelgrundkörpers 1 ausgebildet ist, verpresst. Um bei einem eventuellen Auftreten von Mikrobewegungen ein Lösen des Steuerventils 25 aus der Aufnahmeöffnung 26 zu verhindern, wird das Steuerventil 25 durch eine Verprägung 30 des Pleuelgrundkörpers 2 mit dem Steuerventil 25, die eine zusätzliche formschlüssige Verbindung des Pleuelgundkörpers 2 mit dem Steuerventil 25 zur Verfügung stellt, gesichert. Zu diesem Zweck weist das Steuerventil 25 an seiner Außenseite eine Ausnehmung 251 auf. An einer Außenseite des Pleuelgrundkörpers 2 ist eine vorbearbeitete Prägestelle 31 ausgebildet. Nach dem Einpressen des Steuerventils 25 in die Aufnahmeöffnung 26 des Pleuelgrundkörpers 2 wird zur Herstellung der Verprägung 30 von außen ein Prägestempel 32 an der vorbearbeiteten Prägestelle 31 angesetzt und nach innen gedrückt. Dadurch wird die Verprägung 30 erzeugt, welche die zusätzliche formschlüssige Verbindung des Pleuelgrundkörpers 2 mit dem Steuerventil 25 zur Verfügung stellt.
Bevor auf weitere Einzelheiten der Exzenterarretierung eingegangen werden soll, soll nachfolgend kurz das grundlegende Verstellprinzip der Exzenterverstelleinrichtung 12 näher erläutert werden.
Das Steuerventil 25 befindet sich in einer Stellung für eine niedrige Verdichtung („LOW“) der Hubkolbenbrennkraftmaschine in einer Ventilposition, in der Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Hydraulikkammer 21 ausströmen kann. Ein Ausströmen der Hydraulikflüssigkeit aus der ersten Hydraulikkammer 20 wird demgegenüber verhindert. Die erste Hydraulikkammer 20 füllt sich mit Hydraulikflüssigkeit, so dass sich der erste Kolben 17 in axialer Richtung bewegen kann. Eine Verstellung des Exzenters 10 in die Stellung für eine hohe Verdichtung („HIGH“) der Hubkolbenbrennkraftmaschine wird verhindert, da die sich innerhalb des ersten Kolbens 17 bildende Hydraulikflüssigkeitssäule entsprechende Zugkräfte wirksam abstützen kann.
In einer Stellung für eine hohe Verdichtung („HIGH“) befindet sich das Steuerventil 25 in einer Ventilposition, in der Hydraulikflüssigkeit aus der ersten Hydraulikkammer 20 ausströmen kann. Ein Ablaufen der Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Hydraulikkammer 21 wird demgegenüber verhindert. Über das Leitungssystem 22 strömt nun Hydraulikflüssigkeit in die zweite Hydraulikkammer 21 ein, so dass sich der zweite Kolben 18 in axialer Richtung bewegen kann. Die sich innerhalb der zweiten Hydraulikkammer 21 bildende Hydraulikflüssigkeitssäule stützt Zugkräfte ab und verhindert dadurch eine Verstellung des Exzenters 10 in die Stellung mit niedriger Verdichtung. Im Stand der Technik besteht das Problem, dass es bei höheren Motordrehzahlen aufgrund der dann ansteigenden Gas- und Massenkräfte zu einer Schwingbewegung der Exzenterverstelleinrichtung 12 kommen kann. Die hierbei wirkenden Kräfte führen zu einer Kompression der in der Theorie inkompressiblen Hydraulikflüssigkeit. Der steigende Druck in den mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllten Hydraulikkammern 20, 21 kann unter Umständen zu Leckströmen an den Kolbendichtungen führen, die zu einer weiteren. Verstärkung der Schwingungsamplituden beitragen können.
Durch die nachfolgend erläuterten Maßnahmen wird in vorteilhafter Weise die Schwinganfälligkeit der Exzenterverstelleinrichtung 12 verringert.
Unter Bezugnahme auf 3 und 7 sollen nachfolgend weitere Einzelheiten der mechanischen Exzenterarretierung erläutert werden. Wie oben bereits erwähnt, weist das mechanische Exzenterarretierungsmittel 19 ein Arbeitsgewinde 190 und einen Arretierungsabschnitt 191 auf. Wie bereits erläutert, ist der erste Kolben 17, in den das Exzenterarretierungsmittel 19 eingesetzt ist, innerhalb der ersten Hydraulikkammer 20 axial verschiebbar, aber nicht um seine Längsachse drehbar angeordnet.
Der Arretierungsabschnitt 191 und eine Schaltkulisse 100, die in der Mantelfläche des Exzenters 10 ausgebildet ist, weisen miteinander korrespondierende Formgestaltungen auf, die bewirken, dass der Arretierungsabschnitt 191 permanent mit der Schaltkulisse 100 des Exzenters 10 in Kontakt steht und eine formschlüssige Verbindung schafft.
Das Arbeitsgewinde 190 in Form eines Spindelantriebs für das Exzenterarretierungsmittel 19 ermöglicht es, dass sich das Exzenterarretierungsmittel 19 bei der Füllung der ersten Hydraulikkammer 20 mit Hydraulikflüssigkeit und der damit einhergehenden axialen Verschiebung des ersten Kolbens 17 um seine Längsachse drehen kann. Das vorliegend als Schenkelfeder ausgebildete Federmittel 27 ist dazu in der Lage, eine mechanische Vorspannung zur Verfügung zu stellen, so dass bei einer Änderung der Schaltstellung des Steuerventils 25 Hydraulikflüssigkeit durch die Einwirkung der Rückstellkraft des Federmittels 27, die auf den ersten Kolben 17 wirkt, aus der ersten Hydraulikkammer 20 herausgedrückt werden kann. Der Arretierungsabschnitt 191 stellt dauerhaft eine formschlüssige Verbindung des Exzenterarretierungsmittels 19 mit dem Exzenter 10 zur Verfügung, so dass der Exzenter 10 in einer ersten Stellung, in der die effektive Pleuellänge minimal ist, und in einer zweiten Stellung, in der die effektive Pleuellänge maximal ist, arretierbar ist. Der Verlauf der entsprechenden Schaltkulisse 100 am Exzenter 10 entsteht infolge der Abwicklung um die Exzenterachse in Verbindung mit der dazugehörigen Verdrehung des Exzenterarretierungsmittels 19 um die eigene Achse, die mittels des durch das Arbeitsgewinde 191 gebildeten Spindelantriebs zur Verfügung gestellt wird.
Die Auslegung des Arretierungsmechanismus basiert auf einem versetzten Kraftangriff zwischen dem Exzenter 10 und dem Arretierungsabschnitt 191 des drehbaren Exzenterarretierungsmittels 19 und ähnelt dem Aufbau eines Schneckenradgetriebes, wobei der Exzenter 10 aus funktionaler Sicht dem Schneckenrad und das drehbare Exzenterarretierungsmittel der Schnecke des Schneckenradgetriebes entspricht. Aus dem am Exzenter 10 anliegenden Drehmoment resultiert durch Kräftezerlegung eine entlang der Drehachse des Exzenterarretierungsmittels 19 orientierte Kraftkomponente sowie darüber hinaus eine radial zu der Drehachse orientierte Kraftkomponente.
Die entlang der Drehachse wirkende Kraftkomponente wird vom Axiallager, das durch das erste, vorzugsweise als Nadelrolle ausgebildete, Lagermittel 26 und die sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut 192, in die das erste Lagermittel 27 eingreift, gebildet wird, aufgefangen und erzeugt dabei eine Reibkraft, welche der Drehbewegung am Hebelarm des Lagerradius entgegenwirkt und somit die Drehbewegung des Exzenterarretierungsmittels 19 hemmt.
Die Exzenterverstelleinrichtung 12 kann zum Beispiel konstruktiv so ausgelegt sein, dass ein Verdrehwinkel des Exzenters 10 von 60° einem Verdrehwinkel des Exzenterarretierungsmittels 19 von 80° entspricht. Wie oben bereits erwähnt, ist der Arretierungsabschnitt 191 permanent mit der Schaltkulisse 100 des Exzenters 10 in Kontakt. Daher bildet die Schaltkulisse 100 auf der Mantelfläche des Exzenters 10 geometrisch die Abwicklung der „Gegengeometrie“ zum Arretierungsabschnitt 191 des Exzenterarretierungsmittels 19. Mit anderen Worten entsteht der Verlauf einer Schaltkulisse am Exzenter 10 in Folge einer Abwicklung um die Exzenterachse in Verbindung mit der dazugehörigen Verdrehung des Arretierungsabschnitts 191 des Exzenterarretierungsmittels 19 um dessen Drehachse. Die radiale Geometrie des Arretierungsabschnitts 191 wird durch die Abwicklung einer schiefen Ebene gebildet. Grundsätzlich kann diese winkelorientiert diverse Steigungen aufweisen, so dass ganz gezielt entsprechende Kräfteverhältnisse erzeugt werden können. Um das Exzenterarretierungsmittel 19 jedoch weitgehend unabhängig gegenüber möglichen Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszuführen, ist es vorteilhaft, für die Auslegung eine konstante Steigung vorzusehen.
Der Arretierungsmechanismus, der durch das Exzenterarretierungsmittel 19 bereitgestellt wird, muss während des Verstellvorgangs der Exzenterverstelleinrichtung 12 und unter Umständen auch in den beiden Endpositionen („LOW“ beziehungsweise „HIGH“) aktiv angesteuert werden. Zu diesem Zweck werden innere Kräfte, die auf den Exzenter 10 wirken, genutzt. Der oben bereits erläuterte grundlegende hydraulische Verstellmechanismus wird dabei um die Funktionalität ergänzt, dass in der Stellung des Steuerventils 25, in der eine niedrige Verdichtung („LOW“) eingestellt wird, und somit beim Verstellen der Exzenterverstelleinrichtung 12 von der Stellung mit hoher Verdichtung („HIGH“) in die Stellung mit niedriger Verdichtung („LOW“) ein Teil des Volumenstroms der Hydraulikflüssigkeit (eingestellt über ein entsprechendes Drosselmittel innerhalb des Steuerventils 25) aus der sich entleerenden zweiten Hydraulikkammer 21 durch das Leitungssystem 22 auf die MKS-Seite geleitet wird und in die erste Hydraulikkammer 20 einströmt und dabei als Energieträger für die axiale Verstellbewegung des ersten Kolbens 17 und somit für die rotatorische Verstellung des Exzenterarretierungsmittets 19 genutzt wird. Die erste Hydraulikkammer 20 und die zweite Hydraulikkammer 21 sind so ausgebildet, dass das Volumen der zweiten Hydraulikkammer 21, welche der Gaskraftseite zugeordnet ist, größer als das Volumen der ersten Hydraulikkammer 20 ist. Dadurch wird erreicht, dass ein Teil der Hydraulikflüssigkeit, der nicht in die erste Hydraulikkammer 20 geleitet wird, in das Hublagerauge 8 zurückgeführt wird. Damit dieser Verstellvorgang nur in eine Richtung abläuft, wird mittels des ersten Rückschlagventils 23 verhindert, dass die Hydraulikflüssigkeit in das Leitungssystem 22 zurückströmt. Somit wird als Arbeitsmedium der sich durch die Verstellung ergebende Hydraulikflüssigkeitsvolumenstrom der GKS-Seite genutzt. Die Hydraulikflussigkeit wird also auf den ersten Kolben 17 auf der Massenkraftseite geleitet und verrichtet über das Arbeitsgewinde 190 in Form des Spindelantriebs die erforderliche Nachstellbeziehungsweise Lösebewegung des Exzenterarretierungsmittels 19.
Wenn das Steuerventil 25 in einer Schaltstellung für hohe Verdichtung („HIGH“) steht und damit auch der Verstellvorgang des Exzenters 10 vom Zustand mit niedriger Verdichtung („LOW“) in den Zustand mit hoher Verdichtung („HIGH“) eingeleitet wird, wird entsprechend über die Federvorspannung des Federmittels 27 die Hydraulikflüssigkeit aus der ersten Hydraulikkammer 20 herausgedrückt und durch das Leitungssystem 22 auf die Gaskraftseite in die zweite Hydraulikkammer 21 geschoben. Die Volumendifferenz wird über das zweite Rückschlagventil 24 vom Hublagerauge 8 angesaugt.

Claims

Verfahren zur Montage einer Exzenterverstelleinrichtung (12) eines Pleuels (1) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, bei dem - ein erster Kolben (17) der Exzenterverstelleinrichtung (12) mit einem darin eingesetzten, um seine Längsachse drehbaren Exzenterarretierungsmittel (19) sowie einem Federmittel (27), das zwischen dem ersten Kolben (17) und dem Exzenterarretierungsmittel (19) angeordnet ist, in eine erste Hydraulikkammer (20) des Pleuels (1) eingesetzt wird, - der erste Kolben (17) derart innerhalb der ersten Hydraulikkammer (20) gelagert wird, dass er verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer (20) in axialer Richtung bewegbar ist, - ein Axiallager für das Exzenterarretierungsmittel (19) gebildet wird, - ein Exzenter (10) in ein Pleuellagerauge (9) des Pleuels (1) eingesetzt wird und mit dem Exzenterarretierungsmittel (19) in Wirkverbindung gebracht wird, - ein zweiter Kolben (18) der Exzenterverstelleinrichtung (12) zusammen mit einer daran gelagerten Stützstange (15) und einem an der Stützstange (15) gelagerten Verstellhebel (13) in eine zweite Hydraulikkammer (21) des Pleuels (1) eingesetzt wird, und -der Verstellhebel (13) mit dem Exzenter (10) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (17) mittels eines ersten Lagermittels (28), das in das Pleuel (1) eingesetzt wird, verdrehsicher innerhalb der ersten Hydraulikkammer (20) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagermittel (28) derart innerhalb des Pleuels (1) positioniert wird, dass es in eine Abflachung (170) auf einer Mantelfläche des ersten Kolbens (17) eingreift.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagermittel (28) in eine Bohrung des Pleuels (1) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arretierungsabschnitt (191) des Exzenterarretierungsmittels (19) formschlüssig mit einer Schaltkulisse (100) in einer Mantelfläche des Exzenters (10) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Axiallager durch eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut (192) innerhalb des Exzenterarretierungsmittels (19) und ein zweites Lagermittel (29), das in das Pleuel (1) eingesetzt wird und in die Nut (192) eingreift, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagermittel (29), in eine Bohrung des Pleuels (1) eingepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (10) mit seinen einander gegenüberliegenden Stirnseiten an zwei voneinander beabstandeten Hebelarmen (130, 131) des Verstellhebels (13) befestigt wird.