DE102019101269B3

DE102019101269B3 - Exzenterverstelleinrichtung und längenverstellbare Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102019101269B3
Application number: DE102019101269.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Wittek
Original assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Current assignee: HOCHSCHULE HEILBRONN
Priority date: 2019-01-18
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2039-01-19

Abstract

Es wird eine Exzenterverstelleinrichtung, umfassend einen Exzenter und einen Schwenkhebel vorgeschlagen, die eine sehr platzsparende und genaue formschlüssige Kopplung zwischen Schwenkhebel und Exzenter ermöglicht.

Description

Exzenter werden in vielen Gebieten der Technik eingesetzt; beispielsweise um den Anstand zwischen zwei (Lager-)Bohrungen einstellen zu können. Es gibt Anwendungen in verschiedensten Bereichen der Technik, vom Schwermaschinenbau bis zur Feinwerktechnik.
Der Exzenter weist eine zylindrische Außenkontur und eine exzentrisch zu der Außenkontur angeordnete (Lager-)Bohrung auf. Der Exzenter ist mit seiner Außenkontur drehbar in einem Maschinenteil gelagert. Diese Funktionsweise ist dem Fachmann geläufig und wird daher nur kurz erläutert.
Um die Position der in dem Exzenter vorhandenen Lagerbohrung zu verstellen, muss der Exzenter um die von der zylindrischen Außenkontur vorgegebene Drehachse verdreht oder verschwenkt werden. Um das zum Verschwenken erforderliche Drehmoment in den Exzenter einzuleiten, ist in vielen Anwendungen ein Schwenkhebel mit dem Exzenter verbunden. Die Erfindung betrifft die Verbindung eines Schwenkhebels und eines Exzenters. Die Kombination aus Exzenter und Schwenkhebel wird im Zusammenhang mit der Erfindung als „Exzenterverstelleinrichtung“ bezeichnet.
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung sind längenverstellbare Pleuelstangen von Hubkolbenverbrennungskraftmaschine (nachfolgend auch als Verbrennungskraftmaschine (VKM) bezeichnet). Bei diesen Pleuelstangen ist der Kolbenbolzen exzentrisch im kleinen Pleuelauge gelagert. Ein variables Verdichtungsverhältnis wird nachfolgend auch als VCR (= variable compression ratio) abgekürzt; entsprechend wird die erfindungsgemäße Pleuelstange auch als VCR-Pleuel bezeichnet. Im Übrigen werden im Zusammenhang mit der Erfindung die Begriffe „Pleuel“ und „Pleuelstange“ synonym verwendet. Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit einer solchen VCR-Pleuelstange im Detail dargestellt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die erfindungsgemäße Exzenterverstelleinrichtung nicht auf diese Anwendung beschränkt ist.
Die Hauptmotivation eines variablen Verdichtungsverhältnisses (VCR) ist eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein variables Verdichtungsverhältnis zu realisieren. Wichtige Aspekte bei der Auswahl einer geeigneten Alternative sind die erforderlichen konstruktiven Änderungen an einer herkömmlichen Brennkraftmaschine und die Kosten.
Stand der Technik
VCR-Pleuel zur Realisierung einer variablen Verdichtung bei Verbrennungskraftmaschinen gehören zum Stand der Technik. Die DE 10 2005 055 199 A1 beschreibt ein VCR-Pleuel bei dem die effektive Pleuellänge (= Abstand von großem Pleuelauge und kleinem Pleuelauge) durch Verdrehen eines im Bereich des kleinen Pleuelauges gelagerten Exzenters herbeigeführt wird. Der Kolbenbolzen ist in der exzentrisch zur Außenkontur des Exzenters angeordneten der Lager-Bohrung des Exzenters gelagert. Diese Lager-Bohrung ist das kleine Pleuelauge. Durch Verschwenken des Exzenters wird der Abstand zwischen großem und kleinem Pleuelauge und mit ihm das Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine verändert. Die Drehung des Exzenters wird einerseits durch die während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine auf den Kolbenbolzen wirkenden Kräfte bewirkt. Die „Arretierung“ des Exzenters in einer gewünschten Schwenkstellung wird durch eine hydraulische Abstützmechanik gewährleistet.
Die aus der DE 10 2005 055 199 A1 bekannte Abstützmechanik besteht aus einem Paar von hydraulischen Aktuatoren (Hydraulikzylinder), deren Kolben sich jeweils auf fluidgefüllten Stützkammern abstützen. Wenn Hydrauliköl in eine der beiden Stützkammern geleitet wird (und in gleichem Maße Hydrauliköl aus der anderen Stützkammer abfließt) dreht sich der Exzenter in seiner Lagerung im Bereich des kleinen Pleuelauges und das Verdichtungsverhältnis der Brennkraftmaschine ändert sich.
Aus der WO 2015/074649 A1 ist eine Exzenterverstelleinrichtung bekannt bei der Exzenter und Schwenkhebel über eine Verzahnung formschlüssig miteinander verbunden sind. Die Verzahnung erstreckt sich über die gesamte Außenkontur des Exzenters.
Aus der DE 37 25 900 C2 ist eine Exzenterverstelleinrichtung bekannt bei der Exzenter eine Verzahnung aufweist. Mit dieser Verzahnung kämmt ein Stellzahnrad. Durch Drehen des Stellzahnrads kann der Exzenter verdreht werden.
Aus der DE 10 2017 121 752 A1 ist eine Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Exzenterverstelleinrichtung bekannt, die einfach herstellbar und montierbar sein soll. Bei dieser Exzenterverstelleinrichtung ist die zylindrische Außenkontur bereichsweise abgeflacht. Ein Schwenkhebel weist eine Ausnehmung auf, die der Außenkontur des Exzenters entspricht, so dass eine formschlüssige Drehmomentübertragung zwischen dem Schwenkhebel und dem Exzenter möglich ist. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Schwenkhebel den Exzenter über den gesamten Umfang des Exzenters umgreifen muss. Dies bedeutet einen relativ großen Bauraumbedarf. Außerdem bedeutet es bei der Anwendung bei einer VCR-Pleuelstange, dass die Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges einen Schlitz aufweisen muss, so dass der Exzenter und mit ihm der Kolben letztendlich nur durch zwei schmale, nicht miteinander verbundene Gurte, gehalten wird. Diese Struktur ist relativ weich und ihre mechanische Belastbarkeit ist begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Exzenterverstelleinrichtung und eine mit dieser Exzenterverstelleinrichtung ausgestattete Pleuelstange bereitzustellen, welche hinsichtlich Bauraumbedarf, Montierbarkeit, Herstellung und Belastbarkeit der Pleuelstange eine vorteilhafter Weiterbildung des Standes der Technik ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Exzenterverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der erste Bereich umfasst weniger als 180° bzw. weniger als die Hälfte des Umfangs der Außenkontur des Exzenters.
Erfindungsgemäß weist die Außenkontur des Schwenkhebels einen zweiten Bereich auf, wobei der zweite Bereich unmittelbar an den ersten Bereich der Außenkontur anschließt. Die Außenkontur des Schwenkhebels ist im zweiten Bereich komplementär (d. h. kreisbogenförmig) zu der zylindrischen Außenkontur des Exzenters ausgebildet. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen Schwenkhebel und Exzenter vergrößert und die Positionierung des Schwenkhebels relativ zu dem Exzenter wird weiter verbessert. Das ermöglicht die Übertragung noch größerer Drehmomente zwischen Schwenkhebel und Exzenter, ohne dass Herstellungsaufwand und Bauraumbedarf zunehmen.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die formschlüssige Kopplung zwischen Exzenter und Schwenkhebel nur in dem ersten Bereich erfolgt. Weil dieser weniger als die Hälfte des Außenumfangs des Exzenters einnimmt, ist der Schwenkhebel auf der dem ersten Bereich gegenüberliegenden Seite des Exzenters nicht vorhanden. Der erfindungsgemäße Schwenkhebel umschließt den Exzenter nicht. Dadurch wird der Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Exzenterverstelleinrichtung reduziert.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Exzenterverstelleinrichtung sehr leicht, was insbesondere beim Einsatz in einer oszillierenden Pleuelstange von erheblichem Vorteil ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens eine Vertiefung die Form eines Kreisbogens hat und ein Mittelpunkt des Kreisbogens außerhalb der Außenkontur des Exzenters liegt. Dann nämlich ist es möglich, mit Hilfe eines Scheibenfräsers die Vertiefung in den Exzenter einzubringen. Dies ist fertigungstechnisch sehr einfach realisierbar. Außerdem lassen sich auf diese Weise die Vertiefungen mit hoher Genauigkeit auch in großen Serien prozesssicher herstellen.
Alternativ ist es auch möglich, dass die Gruppen von Vertiefungen zum Beispiel mit einem Fingerfräser aus dem Exzenter herausgefräst werden. Eine erste Gruppe von Vertiefungen beginnt an einer ersten Stirnseite des Exzenters und endet beabstandet zu der zweiten Stirnseite des Exzenters. Die zweite Gruppe von Vertiefungen beginnt an der zweiten Stirnseite und endet beabstandet zu der ersten Stirnseite. Dadurch lassen sich Vertiefungen in nahezu beliebigen Geometrien herstellen und auf diese Weise ein weiter verbesserter Formschluss und/oder ein nochmals reduzierter Bauraumbedarf realisieren. Die geometrischen Details dieser Ausführungsform sind in der 11 dargestellt und werden im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung im Detail erläutert.
Die Kontaktfläche zwischen dem erfindungsgemäßen Schwenkhebel und Exzenter wird maximal, wenn ein Mittelpunkt eines ersten Vorsprungs des Schwenkhebels bzw. einer ersten Vertiefung des Exzenters, die Längsachse der zylindrischen Außenkontur des Exzenters und ein Ende des zweiten Bereichs der Außenkontur auf einer gedachten Linie liegen. Dann ergibt sich ein maximaler Umschlingungswinkel zwischen Schwenkhebel und Exzenter, so dass eine optimale Kraftübertragung und größtmögliche Belastbarkeit gewährleistet ist.
Um nach erfolgter Montage sicherzustellen, dass Schwenkhebel und Exzenter miteinander formschlüssig verbunden bleiben, ist vorgesehen, dass der Exzenter und der Schwenkhebel durch einen Sicherungsstift oder eine Sicherungsschraube miteinander verbunden sind.
Vorteilhafterweise durchdringt der Sicherungsstift oder die Sicherungsschraube den Exzenter und den Schwenkhebel. In der Regel verläuft eine Längsachse des Sicherungsstifts bzw. der Sicherungsschraube parallel zu einer Drehachse des Exzenters.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch bei einer Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein großes Pleuelauge, ein kleines Pleuelauge und einen im Bereich des kleinen Pleuelauge angeordneten Exzenter, dadurch gelöst, dass der Exzenter mit einem Schwenkhebel formschlüssig zu einer Exzenterverstelleinrichtung verbunden ist, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. Dadurch lassen sich die zuvor genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Exzenterverstelleinrichtung auch bei Pleuelstangen für Verbrennungskraftmaschinen nutzbar machen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges einen Durchbruch auf der das kleine Pleuelauge durchdringt, wobei die Enden des Schwenkhebels durch diesen Durchbruch hindurch ragen. Der Durchbruch wird von zwei Gurten in axialer Richtung begrenzt. Um die Steifigkeit der Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges zu maximieren, ist am oberen Ende des Pleuels zwischen den beiden Gurten ein Steg vorhanden, so dass die Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges nicht geschlitzt ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, sondern die Gurte durch den Steg miteinander verbunden sind. Infolgedessen ergibt sich eine steifere und belastbare Struktur der Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges.
Am unteren Ende des Durchbruchs erweitert sich dieser zu einer Ausnehmung, die erforderlich ist, um den Schwenkhebel mit dem Exzenter zu verbinden. In diese ohnehin vorhandene Ausnehmung kann ein Sicherungskeil eingesetzt werden. Dadurch ist es auch möglich, das Lösen der formschlüssigen Verbindung zwischen Schwenkhebel und Exzenter wirksam zu unterbinden. Dieser Sicherungskeil kann alternativ oder ergänzend zu dem Sicherungsstift/der Sicherungsschraube eingesetzt werden.
Dieser Sicherungskeil kann so ausgestaltet sein, dass eine der Exzenterverstelleinrichtung zugewandte Seite des Sicherungskeils eine gekrümmte Schmiegefläche und/oder eine Stützfläche für die Exzenterverstelleinrichtung aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die bevorzugt zylindrische Schmiegefläche in einer ersten Endposition mit in einer ebenfalls zylindrischen Gleitfläche am Außenbereich des Schwenkhebels in Kontakt kommt. Die Schmiegefläche bildet einen Endanschlag für den Schwenkhebel und die erfindungsgemäße Exzenterverstelleinrichtung.
In einer zweiten Endposition liegt der Schwenkhebel auf der Stützfläche des Sicherungskeils auf. Das ist vorzugsweise in der Exzenterstellung „niedrige Verdichtung“ (d. h bei sehr hohen Lasten) der Fall. Dann nämlich wird das durch die auf den Kolben wirkenden Gaskräfte induzierten und auf die Exzenterverstelleinrichtung wirkenden Momente auf kürzestem Wege in die Pleuelstruktur abgeleitet. Infolgedessen wird die gaskraftseitige Stützstange in der Endposition „niedrige Verdichtung“ entlastet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Pleuelstange im Bereich des kleinen Pleuelauges trapezförmig ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass die Masse des Pleuels reduziert wird. Außerdem kann die Nabe des Kolbens axial enger an das Pleuel heran gebaut werden, was den Einsatz eines kürzeren und infolgedessen leichteren Kolbenbolzens erlaubt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Isometrie einer erfindungsgemäßen Pleuelstange;
2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Pleuelstange entlang der Linie A-A;
3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Pleuelstange entlang der Linie B-B aus 2;
4 den erfindungsgemäßen Exzenter und den erfindungsgemäßen Schwenkhebel beim Einschwenken/Herstellen der formschlüssigen Verbindung;
5 die formschlüssige Verbindung zwischen Schwenkhebel und Exzenter;
6 ein Ausführungsbeispiel mit einem Sicherungskeil einer ersten Endposition;
7 das Ausführungsbeispiel mit Sicherungskeil in einer zweiten Endposition;
8 einen Schnitt stark vergrößert entlang der Linie B-B im Bereich des kleinen Pleuelauges;
9 einen Schnitt entlang der Linie D-D zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Sicherungsstifts;
10 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Exzenters mit Konstruktionshilfslinien zur Erläuterung der Geometrie der Vertiefungen; und
11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Exzenters in zwei Ansichten.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
In allen Ausführungsbeispielen werden für gleiche Bauteile die gleichen Bezeichnungen verwandt. Ansonsten gilt das bezüglich eines Ausführungsbeispiels Gesagte für die anderen Ausführungsbeispiele entsprechend.
In der 1 wird ein VCR- Pleuel 1 in einer Isometrie dargestellt. Zur Erläuterung der Grundfunktionen sei auf die DE 10 2005 055 199 A1 und dort insbesondere auf die 2 bis 5 und deren Beschreibung verwiesen.
Nachfolgend werden im Zusammenhang mit der 1 die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtigsten Zusammenhänge kurz erläutert. Das kleine Pleuelauge 1.3 ist in einem Exzenter 2 angeordnet, der in der Aufnahmebohrung 1.1.4 des Pleuels 1 dreh- oder schwenkbar gelagert ist. Der Exzenter 2 ist mit einem Schwenkhebel 3 (nachfolgend auch als „Hebel“ bezeichnet) drehfest verbunden. Exzenter 2 und Schwenkhebel 3 bilden eine Exzenterverstelleinrichtung. An beiden Enden des Schwenkhebels 3 ist jeweils eine Stütz-Stange 5.1, 5.2 mit Hilfe von Gelenkbolzen 7.1 und 7.2 gelenkig befestigt. Die Stützstangen 5.1, 5.2 sind in der 1 kaum zu sehen, da sie sich größtenteils im Inneren des Pleuels 1 befinden.
Eine erste Stütz-Stange 5.1 ist an ihrem dem Exzenter 2 gegenüber liegenden Ende mit einem ersten Stützkolben 6.1 gekoppelt (siehe 2). Eine zweite Stütz-Stange 5.2 ist an ihrem dem Exzenter 2 gegenüber liegenden Ende mit einem zweiten Stützkolben 6.2 gekoppelt (siehe 2). In der in den 1 und 2 dargestellten (End-)Position des Exzenters 2 ist der Abstand zwischen kleinem und großem Pleuelauge maximal, so dass das Verdichtungsverhältnis einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine in diesem Zustand hoch ist. Diese Position nimmt der Exzenter ein, wenn die Verbrennungskraftmaschine nicht mit Volllast, sondern mit einer niedrigeren Teillast betrieben wird.
Diese Position wird erreicht, indem Öl in einem von dem ersten Stützkolben 6.1 und einem ersten Stützzylinder (ohne Bezugszeichen) begrenzten Stützraum 1.1.1 gefördert und Öl aus einem von dem zweiten Stützkolben 6.2 und einem zweiten Stützzylinder begrenzten Stützraum abgelassen wird.
Wenn der Abstand zwischen kleinem Pleuelauge und großem Pleuelauge 1.4 verkleinert werden soll, wird Öl in den von dem zweiten Stützkolben 6.2 und dem zweiten Stützzylinder begrenzten Raum gefördert. Gleichzeitig muss Öl aus dem von erstem Stützkolben 6.1 und einem erstem Stützzylinder begrenzten Raum 1.1.1 (nachfolgend auch als Stützkammer bezeichnet) abgelassen werden.
Die Betätigung des Schwenkhebels 3 mit Hilfe der Stützkolben 6.1 und 6.2 ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird daher nicht im Detail erläutert, sondern diesbezüglich auf die bereits erwähnte DE 10 2005 055 199 A1 und die nachveröffentlichte DE 10 2018 120 002 B3 verwiesen. In beiden Druckschriften wird die hydraulische Funktion des VCR-Pleuels 1 ausführlich beschrieben.
Das Pleuel 1 besteht aus einem Oberteil 1.1 und einem Unterteil 1.2. Das Unterteil 1.2 ist mit dem Oberteil 1.1 verschraubt. Die Trennebene zwischen Oberteil 1.1 und Unterteil 1.2 läuft durch den Mittelpunkt des großen Pleuelauges.
Aus der 2 wird deutlich, dass die Pleuelstange 1 im Bereich der Aufnahmebohrung 1.1.4 einen Durchbruch 1.1.3 aufweist. Der Durchbruch 1.1.3 wird seitlich von zwei Gurten 1.1.6 (siehe 1) begrenzt. An dem in 1 höchsten Punkt der Pleuelstange 1 sind die Gurte 1.1.6 durch einen Steg 1.1.5 miteinander verbunden. In der 2 ist zu erkennen, dass der Durchbruch unterhalb des Exzenters 2 und des Schwenkhebels 3 in eine Ausnehmung 1.1.7 übergeht. Die Ausnehmung 1.1.7 schafft den zum Herstellen der formschlüssigen Verbindung von Schwenkhebel 3 und Exzenter 2 erforderlichen Platz. Näheres dazu wird weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung der 4 bis 7 ausgeführt.
In der 3 ist ein Schnitt durch die Pleuelstange 1 entlang der Linie B-B (siehe 2) dargestellt. In der 3 sind eine Aufnahmebohrung 1.1.4 für den Exzenter 2 und die Ausnehmung 1.1.7 gut zu erkennen. Aus der 3 wird deutlich, dass eine Dicke des Exzenterhebels 3 auf die Breite des Durchbruchs 1.1.7 abgestimmt ist, so dass der Exzenterhebel 3 seitlich von den Begrenzungswänden des Durchbruchs 1.1.7 geführt ist.
In der 3 ist auch zu erkennen, dass der Schwenkhebel 3 und der Exzenter 2 in eine Vertiefung des Exzenters 2 eintaucht, so dass der Exzenter 2 von dem Schwenkhebel 3 in axialer Richtung gehalten wird. Über die formschlüssige Kopplung zwischen Exzenter 2 und Schwenkhebel 3 sowie der seitlichen Führung des Schwenkhebels 3 an den Seitenwänden des Durchbruchs 1.1.7 wird somit der Exzenter 2 in axialer Richtung in der dargestellten Position gehalten.
In der 3 ist auch gut zu erkennen, dass die Pleuelstange 1 an ihrem in 3 oberen Ende im Bereich des kleinen Pleuelauges 1.3 einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Weil an dem in 3 höchsten Punkt der Pleuelstange 1 der Steg 1.1.5 die Gurte 1.1.6 (siehe die 1) miteinander verbindet und stabilisiert, ist es möglich, den Trapezwinkel relativ groß zu wählen, so dass die Pleuelstange 1 an einem dem großen Pleuelauge 1.4 entgegengesetzten Ende sehr schmal ist. Daher ist sie sehr leicht.
Außerdem ergibt sich durch den relativ großen Trapezwinkel der Vorteil, dass die Nabe des nicht dargestellten Kolbens axial enger an die Pleuelstange 1 herangebaut werden kann, was den Einsatz eines kürzeren und damit leichteren Kolbenbolzens ermöglicht.
Der Durchbruch 1.1.3 und die daran anschließende Ausnehmung 1.1.7 werden in konventioneller Weise durch Fräsen und/oder Räumen hergestellt. Für die Fertigung kleiner Serien ist auch das Drahterodieren ein geeignetes Verfahren.
Im Unterteil 1.2 der Pleuelstange 1 ist ein hydraulisches Schaltventil 1.8 in der 3 sichtbar. Dieses Schaltventil 1.8 regelt den Zufluss und den Abfluss von Hydrauliköl in die Stützkammern des ersten Hydraulikzylinders und des zweiten Hydraulikzylinders. Durch die Betätigung des Schaltventils 1.7 werden die Stützkolben 6.1 und 6.2 mit unter Druck stehendem Öl beaufschlagt oder entlastet, so dass die Exzenterverstelleinrichtung im Bereich der Aufnahmebohrung 1.1.4 verschwenkt wird. In Folge dessen ändert sich Abstand zwischen kleinem Pleuelauge 1.3 und großem Pleuelauge 1.4.
In der 4 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A im Bereich des kleinen Pleuelauges 1.3 dargestellt. Gezeigt ist die Situation am Beginn der Herstellung eines Formschlusses zwischen dem Schwenkhebel 3 und dem Exzenter 2. Die Herstellung des Formschlusses erfolgt, wenn der Exzenter 2 in der Aufnahmebohrung 1.1.4 positioniert ist. Dann wird der Schwenkhebel 2 durch den in 4 rechten Durchbruch 1.1.3 und die Ausnehmung 1.1.7 in die Pleuelstange 1 eingeführt und zwar so, dass ein erster Vorsprung 8.1 des Schwenkhebels 3 in einer ersten Vertiefung 9.1 des Exzenters anliegt.
Anschließend wird der Schwenkhebel 3 um den Mittelpunkt 3.1 der ersten Vertiefung 9.1 bzw. des ersten Vorsprungs 8.1 geschwenkt, bis auch der zweite Vorsprung 8.2 und der dritte Vorsprung 8.3 in die komplementären zweiten und dritten Vertiefungen 9.2 und 9.3 des Exzenters eingetaucht sind. Diese Situation ist in der 5 dargestellt.
Aus dem Vergleich der 4 und 5 wird deutlich, dass der Durchbruch 1.1.3 so bemessen sein muss, dass die Vorsprünge 8.1 bis 8.3 des Schwenkhebels 3 in die Vertiefungen 9.1 bis 9.3 des Exzenters 2 eintauchen können und dadurch die formschlüssige Verbindung zwischen Exzenter 2 und Schwenkhebel 3 hergestellt wird.
Anhand der 5 werden die Begriffe „erster Bereich“ I und „zweiter Bereich“ II erläutert. Der erste Bereich I umfasst den Bereich der formschlüssigen und Drehmomente übertragenden Verbindung zwischen Schwenkhebel 3 und Exzenter 2. Daran schließt sich der zweite Bereich II an. In diesem Bereich ist die Außenkontur des Schwenkhebels kreisförmig bzw. kreissegmentförmig, so dass in eingeschwenktem Zustand (siehe 5) der Schwenkhebel 3 auch im zweiten Bereich II formschlüssig mit an der Außenkontur des Exzenters 3 anliegt. Der zweite Bereich II leistet keinen Beitrag zur Drehmomentübertragung zwischen Schwenkhebel 3 und Exzenter 2.
In den 4 und 5 sind im Bereich der zweiten Vertiefung 9.2 und dem Bereich des zweiten Vorsprungs 8.2 Bohrungen (ohne Bezugszeichen) dargestellt, die einen Sicherungsstift (ebenfalls nicht dargestellt) aufnehmen können. Alternativ kann auch eine der Bohrungen als Gewindebohrung ausgeführt sein und in diese Gewindebohrung eine Sicherungsschraube eingedreht werden. Alternativ ist es auch möglich, den Sicherungsstift 18 in die Bohrung 2.2 einzupressen und durch einen Gewindestift 19 (siehe 9) gegen Herausfallen zu sichern.
In der 6 ist eine Variante einer erfindungsgemäßen Pleuelstange dargestellt. Bei dieser Variante ist die Ausnehmung 1.1.7 so bemessen und ausgerichtet, dass ein Sicherungskeil 14 in die Ausnehmung 1.1.7 eingeschoben werden kann, sobald der Schwenkhebel 3 in den Exzenter 2 eingeschwenkt und mittels des Sicherungsstifts 18 gesichert wurde. Der Schwenkhebel 3 ist in einer Endposition dargestellt. Dort, wo sich der Exzenterhebel 3 und der Sicherungskeil 14 berühren ist eine Schmiegefläche 14.1 ausgebildet. Die Schmiegefläche 14.1 ist in der Seitenansicht kreisbogenförmig, ebenso wie die Außenkontur des Schwenkhebels 3 im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Schwenkhebel 3 und dem Sicherungskeil 14. An die Schmiegefläche 14.1 schließt eine Stützfläche 14.2. an.
Die Außenkontur des Schwenkhebels 3, dort wo sie mit dem Sicherungskeil 14 in Kontakt kommt, setzt sich aus einem Kreisbogen und einer Geraden zusammen, die in der 6 am linken Ende des Schwenkhebels 3 endet. Der Mittelpunkt des Kreisbogens fällt mit der Drehachse des Exzenters 2 in der Pleuelstange 1 zusammen
In der in 6 dargestellten Position des Schwenkhebels 3 ist der Abstand zwischen kleinem Pleuelauge und dem großen Pleuelauge maximal und infolgedessen die Verdichtung hoch. In dieser Stellung des Schwenkhebels 3 berühren sich die kreisbogenförmige Außenkontur des Schwenkhebels 3 und die Schmiegefläche 14.1 des Sicherungskeils 14.
Die Stützfläche 14.2 und der gerade Teil der Außenkontur des Schwenkhebels 3 kommen in Kontakt, wenn, wie in der 7 dargestellt, der Schwenkhebel 3 seine zweite Endposition eingenommen hat. Dann liegt der Schwenkhebel 3 flächig auf der Stützfläche 14.2 auf. Auf diese Weise kann das über den Kolbenbolzen in den Exzenter 2 eingeleitete Moment über den Schwenkhebel 3 und den Sicherungskeil 14 direkt in die Pleuelstange 1 eingeleitet werden. Dadurch wird der Stützzylinder bzw. der Stützkolben 6.1 (siehe 2) entlastet. Diese Entlastung ist nur wirksam in der in 7 dargestellten Schwenkstellung bei Volllastbetrieb, wenn die gaskraftseitigen Kräfte sehr groß sind.
In der 8 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B im Bereich des oberen Endes der Pleuelstange 1 stark vergrößert dargestellt.
In dieser Darstellung ist gut zu erkennen, dass der Sicherungskeil 14 mit Hilfe eines Sicherungsbolzens 15 im Durchbruch 1.1.7 gehalten wird. Der Sicherungsbolzen 15 ist an der in 8 linken Seite mit Hilfe eines Wellen-SicherungsRings (Seeger-Ring) 16 gesichert.
In der 9 wird die Sicherung der formschlüssigen Verbindung von Schwenkhebel 3 und Exzenter 2 stark vergrößert dargestellt. In den Schwenkhebel 3 ist eine Querbohrung 3.2 eingebracht. Wenn der Schwenkhebel 3 in den Exzenter 2 eingeschwenkt ist, dann fluchten die Querbohrungen 2.2 und 3.2 und der Sicherungsstift 18 kann in die Bohrungen 2.2 und 3.2 eingeschoben werden.
Der Sicherungsstift 18 kann mit Hilfe eines Gewindestifts 19, der in ein Innengewinde der Querbohrung 2.2 gedreht wird, gegen Herausfallen gesichert werden.
Anhand der 10 werden die komplementären Geometrien der Vertiefungen 9.1 bis 9.3 im Exzenter 2 und der Vorsprünge 8.1 bis 8.3 im ersten Bereich I des Schwenkhebels 3 näher erläutert. Die Kontur des Schwenkhebels 3 kann zum Beispiel durch Feinstanzen oder Laserschneiden aus einem Blech oder durch Sintern in der erforderlichen Genauigkeit erzeugt werden.
Wie sich aus der 10 ergibt, sind die Vertiefungen 9.1 bis 9.3 als kreisbogenförmige Vertiefungen ausgebildet. Die Mittelpunkte „+“ der Vertiefungen 9.1 bis 9.3 liegen außerhalb der zylindrischen Außenkontur 11 des Exzenters 2. Die Vertiefungen 9.1 bis 9.3 können mit einem Scheibenfräser (nicht dargestellt) in die Außenkontur 11 des Exzenters 2 eingebracht werden.
Die Vertiefungen 9.1 bis 9.2 sind bei diesem Ausführungsbeispiel schlitzförmig. Die Breite der Vertiefungen 9 entspricht der Dicke des Schwenkhebels 3, so dass durch den Formschluss zwischen Exzenter 2 und Schwenkhebel 3 ein Verschieben des Exzenters 2 in axialer Richtung relativ zu dem Schwenkhebel 3 nicht möglich ist. Dieser „axiale“ Formschluss ist in der 3 zu sehen. Dort ist eine Vertiefung 9.x zu sehen in die ein Vorsprung 8.x des Schwenkhebels 3 ohne nennenswertes seitliches Spiel eintaucht.
Anhand der 11 werden eine alternative Herstellungsart und eine alternative Geometrie der Vertiefungen dargestellt. Auf der rechten Seite in der 11 ist eine Ansicht auf eine erste Stirnseite 12.1 des Exzenters 2 dargestellt. Die Vertiefungen 9.1 und 9.3 können bei diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines Fingerfräsers hergestellt werden. Wie sich aus der „Ansicht im linken Teil der 11 ergibt, beginnen die Vertiefungen 9.1 und 9.3 beginnen an der ersten Stirnseite 12.1 des Exzenters 2 und enden mit einem Abstand zur zweiten Stirnseite 12.2 des Exzenters 2.
Verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel bestehen mehr Freiheiten und Optimierungsmöglichkeiten bei der Form der Vertiefungen 9 (und der komplementären Vorsprünge 8 des Schwenkhebels 3)
Das seitliche Ende der Vertiefungen 9.1 und 9.3 wird durch Begrenzungswände 13.1 und 13.3 gebildet. Die beiden Begrenzungswände 13.1 und 13.3 liegen in einer Ebene.
Die zweite Vertiefung 9.2 beginnt bei diesem Ausführungsbeispiel an der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 12.2 und endet an einer Begrenzungsfläche 13.2. Die Begrenzungswand 13.2 einerseits und die Begrenzungswände 13.1 und 13.3 andererseits liegen in zwei parallel zueinander angeordneten Ebenen. Der Abstand dieser Ebenen ist in der 11 mit „B“ eingezeichnet. Der Abstand „B“ entspricht der Dicke des Schwenkhebels 3, so dass auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein nicht dargestellter Schwenkhebel 3, wenn er in die Vertiefungen 9.1 bis 9.3 in der zuvor beschriebenen Weise eingeschwenkt wird, in axialer Richtung bzw. seitlich durch die Begrenzungswände 13.1 und 13.3 einerseits und die Begrenzungswand 13.2 formschlüssig mit der dem Exzenter 2 verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist gewährleistet, dass der Exzenter 2 seitlich nicht aus der Aufnahmebohrung 1.1.4 der Pleuelstange 1 herauswandern kann. Dadurch, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Vertiefungen 9.1 bis 9.3 über die Stirnflächen 12.1 und 12.2 „erreichbar sind“, sind andere Geometrien bei den Vertiefungen 9.1 bis 9.3 und entsprechend auch andere Geometrien bei den Vorsprüngen im Schwenkhebel möglich. Dadurch kann eine kleinteiligere und noch weniger Bauraum beanspruchende Bauweise erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel(-stange)
1.1.1: Stützraum
1.1.3: Durchbruch
1.1.4: Aufnahme-Bohrung für Exzenter
1.1.5: Steg
1.1.6: Gurt
1.1.7: Ausnehmung
1.1: Oberteil
1.2: Unterteil
1.3: kleines Pleuelauge
1.4: großes Pleuelauge
2: Exzenter
2.2: Querbohrung
3: Schwenkhebel
3.2: Querbohrung
5.1, 5.2: Stütz-Stange
7.1, 7.2: (Gelenk-)Bolzen
6.1: erster Stützkolben
6.2: zweiter Stützkolben
8.1 - 8.3: erster bis dritter Vorsprung
9.1 - 9.3: erste bis dritte Vertiefung
11: Außenkontur
12.1 und 12.2: Stirnseiten des Exzenters
13: Begrenzungswand der Vertiefungen
14: Sicherungskeil
14.1: Schmiegefläche
14.2: Stützfläche
15: Sicherungsbolzen
16: Wellen-Sicherungs-Ring
18: Sicherungsstift
19: Gewindestift

Claims

Exzenterverstelleinrichtung umfassend einen Exzenter (2) und einen Schwenkhebel (3), wobei der Exzenter (2) eine zylindrische Außenkontur (11) und eine exzentrisch zu der Außenkontur (11) angeordnete Lagerbohrung (1.3) aufweist, wobei der Schwenkhebel (3) drehfest und formschlüssig mit dem Exzenter (2) verbunden ist, wobei in der Außenkontur (11) des Exzenters (2) mindestens eine Vertiefung (9.1, 9.2, 9.3) in radialer Richtung ausgebildet ist, und wobei ein erster Bereich (I) der Außenkontur des Schwenkhebels (3) komplementär zu der oder den Vertiefungen (9.1 bis 9.3) des Exzenters (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Schwenkhebels (3) einen zweiten Bereich (II) aufweist, dass der zweite Bereich (II) an den ersten Bereich (I) der Außenkontur anschließt, und dass die Außenkontur des Schwenkhebels (3) im zweiten Bereich (II) komplementär zur der zylindrischen Außenkontur (11) des Exzenters (2) ausgebildet ist.
Exzenterverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (9.1 bis 9.3) die Form eines Kreisbogens hat und ein Mittelpunkt (+) des Kreisbogens außerhalb der Außenkontur (11) des Exzenters (2) liegt.
Exzenterverstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (2) eine erste Stirnseite (12.1) und eine zweite Stirnseite (12.2) und mindestens eine Vertiefung (9.1 bis 9.3) aufweist, dass mindestens eine Vertiefung (9.1, 9.3) an der ersten Stirnseite (12.1) beginnt und beabstandet zu der zweiten Stirnseite (12.2) endet, und dass optional mindestens eine Vertiefung (9.2) an der zweiten Stirnseite (12.2) beginnt und beabstandet zu der ersten Stirnseite (12.1) endet.
Exzenterverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in montiertem Zustand ein Mittelpunkt (+) eines ersten Vorsprungs (8.1) des Schwenkhebels (3) bzw. einer ersten Vertiefung (9.1) des Exzenters (2), die Längsachse der zylindrischen Außenkontur (11) des Exzenters (2) und ein Ende des zweiten Bereichs (II) der Außenkontur () des Schwenkhebels (3) auf einer Linie angeordnet sind.
Exzenterverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (2) und der Schwenkhebel (3) einen Sicherungsstift (18) oder eine Sicherungsschraube (19) aufweisen.
Exzenterverstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungsstift (18) und/oder die Sicherungsschraube (19) den Exzenter (2) und den Schwenkhebel (3) durchdringt.
Pleuelstange für eine Verbrennungskraftmaschine umfassend ein großes Pleuelauge (1.4), ein kleines Pleuelauge (1.3) und einen im Bereich des kleinen Pleuelauges (1.3) angeordneten Exzenter (2), wobei der Exzenter (2) mit einem Schwenkhebel (3) formschlüssig zu einer Exzenterverstelleinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterverstelleinrichtung eine Exzenterverstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Pleuelstange nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (1) im Bereich des kleinen Pleuelauges (1.4) einen Durchbruch (1.1.3) aufweist, und dass die Enden des Schwenkhebels (3) durch den Durchbruch (1.1.3) hindurchragen.
Pleuelstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (1.1.3) von zwei Gurten (1.1.6) begrenzt werden, und dass zwischen den Gurten (1.1.6) ein Steg (1.1.5) vorhanden ist.
Pleuelstange nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (1) im Bereich des kleinen Pleuelauges (1.3) eine Ausnehmung (1.1.7) aufweist, und dass in der Ausnehmung (1.1.7) ein Sicherungskeil (14) vorgesehen ist.
Pleuelstange nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherungskeil (14) an einer dem Schwenkhebel (3) zugewandten Seite eine gekrümmte Schmiegefläche (14.1) und/oder eine Stützfläche (14.2) für den Schwenkhebel (3) aufweist.
Pleuelstange nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pleuelstange (1) im Bereich des kleinen Pleuelauges (1.3) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.