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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, umfassend:
- - ein Hydraulikgehäuse mit einer Aufnahmeöffnung,
- - eine Kolbenführung, die mittels Selbstverstemmung mit der Wandung der Aufnahmeöffnung im Hydraulikgehäuse befestigt ist
- - und einen in der Kolbenführung axialbeweglich geführten Nehmerkolben, der gehäuseinnenseitig einen in der Kolbenführung verlaufenden Druckraum begrenzt und gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil betätigt.
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Brennkraftmaschinen mit elektrohydraulischer Ventilsteuerung, bei der die wesentlichen, für die hydraulische Übertragung von geberseitigen Nockenerhebungen auf die nehmerseitigen Gaswechselventile erforderlichen Komponenten in einer vormontierten und am Zylinderkopf befestigten Hydraulikeinheit angeordnet sind, sind seit mehreren Jahren beim Automobilhersteller FIAT unter der Bezeichnung ‚Multiair‘ in Großserie.
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Die jeweilige Befestigung der Kolbenführungen für den nockenseitigen Geberkolben und den gaswechselventilseitigen Nehmerkolben kann - wie in der
DE 10 2006 008 676 A1 vorgeschlagen - durch Einschrauben in das Hydraulikgehäuse erfolgen.
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Alternativ zu dieser Schraubbefestigung soll gemäß
DE 10 2011 075 894 A1 die Kolbenführung für den Geberkolben mittels einer Reibschweißverbindung mit dem Hydraulikgehäuse gefügt werden.
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In der
DE 10 2010 021 394 A1 , der
DE 10 2013 214 651 A1 und der
DE 10 2014 201 911 A1 ist es jeweils vorgeschlagen, das Hydraulikgehäuse und die Kolbenführung für den Geberkolben beziehungsweise den Nehmerkolben mittels plastischer Materialumformung zu fügen. Dabei wird die aus relativ festem Stahlwerkstoff bestehende Kolbenführung in die Aufnahmeöffnung des aus relativ weichem Aluminiumwerkstoff bestehenden Hydraulikgehäuses eingepresst, und das lokal deutliche Übermaß der Kolbenführung bewirkt ein Werkstofffließen der Gehäusewandung in äußere Ringnuten der Kolbenführung. Diese nicht zerstörungsfrei lösbare Formschlussverbindung ist aus der Literatur als Selbstverstemmung bekannt.
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Die bei der Selbstverstemmung mit dem radial einwärtigen Werkstofffluss einhergehende Einschnürung der Gehäusewandung führt zwangsweise zu einer radial einwärtigen Deformation der Kolbenführung, wobei deren für die präzise Führung des Nehmerkolbens erforderliche Zylinderform in unzulässig hohem Ausmaß beeinträchtigt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hydraulikeinheit der vorgenannten Art im Hinblick auf die Selbstverstemmung der Kolbenführung für den Nehmerkolben im Hydraulikgehäuse konstruktiv zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Kolbenführung mit einem Außenteil und einem darin befestigten Innenteil mehrteilig ist, wobei im Axialbereich der Selbstverstemmung die Außenmantelfläche des Innenteils von der Innenmantelfläche des Außenteils radial beabstandet ist.
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Erfindungsgemäß wird die verstemmbedingte Verformung in dem radialen Zwischenraum zwischen dem Innenteil und dem Außenteil aufgenommen und bleibt daher größtenteils oder vollständig auf das Außenteil beschränkt. Die den Nehmerkolben lagernde Führungsbohrung des von der Verstemmung entkoppelten Innenteils wird folglich nicht oder jedenfalls nicht unzulässig stark verformt. Der radiale Abstand zwischen den Mantelflächen kann durch eine oder mehrere Ringnuten gebildet sein, die im Axialbereich der Selbstverstemmung an der Außenmantelfläche des Innenteils und/oder an der Innenmantelfläche des Außenteils verlaufen. Der radiale Abstand kann optional oder alternativ dadurch gebildet sein, dass das Innenteil im Axialbereich der Selbstverstemmung eine Fase oder einen Radius als Übergang zwischen dessen Außenmantelfläche und dessen gehäuseseitiger Axialstirnseite hat.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, die drei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen. Deren Erläuterung geht vom Stand der Technik gemäß den 1 bis 4 aus. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
- 1 eine bekannte Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Gaswechselventilsteuerung in perspektivischer Darstellung;
- 2 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang einer darin montierten Gebereinheit;
- 3 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang einer darin montierten Nehmereinheit;
- 4 einen Querschnitt durch die Hydraulikeinheit entlang eines darin montierten Hydraulikventils;
- 5 das erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenführung in perspektivischer Darstellung;
- 6 die Kolbenführung gemäß 5 im Längsschnitt;
- 7 das zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenführung im Längsschnitt;
- 8 das dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenführung im Längsschnitt.
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1 zeigt die Gesamtansicht einer bekannten Hydraulikeinheit 1, die für den Einbau in einen Zylinderkopf einer Reihenvierzylinder-Brennkraftmaschine mit elektrohydraulischer Steuerung der Gaswechselventile fertig vormontiert ist. In einem an den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine angeschlossenen Hydraulikgehäuse 2 sind von den Nocken einer nicht dargestellten Nockenwelle angetriebene Gebereinheiten 3 aufgenommen. Auf der den Gebereinheiten 3 gegenüberliegenden Längsseite des Hydraulikgehäuses 2 befinden sich elektromagnetische Hydraulikventile 4.
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Ein Querschnitt durch eine der baugleichen Gebereinheiten 3 ist in 2 dargestellt. Die Gebereinheit 3 umfasst als Nockenfolger einen auf einem starren Abstützelement 5 gelenkig gelagerten Schlepphebel 6 mit einer nadelgelagerten Rolle 7 als Nockenabgriff, einen federbelasteten Geberkolben 8 und eine im Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubte Kolbenführung 32, in der der Geberkolben 8 axialbeweglich geführt ist. Die Nockenerhebung wird gehäuseaußenseitig auf den Geberkolben 8 übertragen, der gehäuseinnenseitig einen volumenveränderlichen Druckraum 9 begrenzt. Um die im Druckraum 9 auftretenden Hydraulikmitteldrücke im Bereich von 200 bar zuzüglich Druckspitzen infolge der Druckpulsationen werkstofftechnisch zu beherrschen, ist das durch einen damit verschraubten Gehäusedeckel 10 verschlossene Hydraulikgehäuse 2 als druckdichtes Aluminiumschmiedeteil ausgeführt. Bei geöffnetem Hydraulikventil 4 ist der Druckraum 9 mit einem Druckentlastungsraum 11 verbunden, der seinerseits von einem federkraftbeaufschlagten Kolben 12 eines Druckspeichers begrenzt ist. Ein in das Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubter Sensor 13 dient zur Erfassung der Hydraulikmitteltemperatur.
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In 3 ist eine Nehmereinheit 14 zur Betätigung eines der - hier mit gestrichelter Linie angedeuteten - Gaswechselventile 23 erkennbar. Die Nehmereinheit 14 steht mit dem Geberkolben 8 der Gebereinheit 3 über Kanäle 15 gemäß 2 und 16 in hydraulischer Wirkverbindung und umfasst eine zylindrische Kolbenführung 17, die in einer Aufnahmeöffnung 35 des Hydraulikgehäuses 2 eingeschraubt ist, einen in einer Führungsbohrung 24 der Kolbenführung 17 axialbeweglich geführten Nehmerkolben 18, der gehäuseinnenseitig den Druckraum 9 begrenzt und gehäuseaußenseitig das Gaswechselventil 23 betätigt, ein hydraulisches Ventilspielausgleichselement 19, das betrieblich zwischen dem Nehmerkolben 18 und dem Gaswechselventil 23 eingespannt ist, sowie eine hydraulische Ventilbremse 20. Diese gewährleistet ein definiertes Abbremsen und sanftes Schließen des während der Hubphase von der zugehörigen Nockenerhebung hydraulisch entkoppelten und durch dessen Ventilfeder in Schließrichtung beaufschlagten Gaswechselventils 23, während bei geöffnetem Hydraulikventil 4 ein schnelles Abströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 in den Druckentlastungsraum 11 erfolgt.
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Die Trennung des Druckraums 9 vom Druckentlastungsraum 11 durch das Hydraulikventil 4 geht aus dem in 4 dargestellten Querschnitt entlang des Hydraulikventils 4 hervor. Die Kanäle 15 und 16 sind über eine am Hydraulikventil 4 verlaufende Ringnut 21 hydraulisch miteinander verbunden, so dass die Ringnut 21 ebenso wie die Kanäle 15 und 16 Bestandteil des Druckraums 9 sind. Im geöffneten Zustand lässt das Hydraulikventil 4 ein Überströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 in den Druckentlastungsraum 11 und zurück über eine den Druckentlastungsraum 11 mit der Ringnut 21 verbindende Bohrung 22 zu.
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Das Hydraulikventil 4 und das Hydraulikgehäuse 2 sind mittels einer an sich bekannten Selbstverstemmung unlösbar gefügt. Demgegenüber ist es ohne Weiteres nicht möglich, die Schraubbefestigung der Kolbenführung 17 durch eine solche Selbstverstemmung im Hydraulikgehäuse 2 zu ersetzen, um die Nachteile und Risiken hinsichtlich des vergleichsweise hohen Herstell- und Montageaufwands bzw. eines vorzeitigen Lösens der Verschraubung zu vermeiden. Grund hierfür ist das nur wenige Mikrometer große Führungsspiel zwischen dem Nehmerkolben 18 und der Führungsbohrung 24, deren radial einwärtige Verformung infolge der Selbstverstemmung wesentlich größer als das Führungsspiel wäre und daher zum Klemmen des Nehmerkolbens 18 in der Führungsbohrung 24 führen würde.
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Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Mehrteiligkeit der Kolbenführung 17 gelöst, die nachfolgend anhand des in den 5 und 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels erläutert sei. Die Kolbenführung 17 ist mit einem Außenteil 25 und einem darin befestigten Innenteil 26 mehrteilig ausgeführt. Die Befestigung erfolgt vorliegend durch einen Pressverband zwischen der Außenmantelfläche des Innenteils 26 und der Innenmantelfläche des Außenteils 25. Der gehäuseinnenseitige, d.h. dem Gaswechselventil 23 abgewandte Endabschnitt des Außenteils 25 hat einen Boden 27, der das stirnseitig daran anliegende Innenteil 26 axial abstützt. Die Kolbenführung 17 hat ein Rückschlagventil 28, das zum - gestrichelt angedeuteten - Nehmerkolben 18 hin öffnet, um einen Hydraulikmittelfluss in den Druckraum 9 über Öffnungen 29 im Boden 27 zuzulassen. Das Rückschlagventil 28 umfasst eine Ventilkugel 30, einen im Boden 27 eingepressten ersten Ventilsitz 31 und einen durch den Boden 27 gebildeten zweiten Ventilsitz 32. Die Ventilkugel 30 liegt bei geschlossenem Rückschlagventil 28 dichtend am ersten Ventilsitz 31 und bei geöffnetem Rückschlagventil 28 am zweiten Ventilsitz 32 an. Die konstruktive Integration des Rückschlagventils 28 in die Kolbenführung 17 ermöglicht es, die Nehmereinheit 14 vor deren Befestigung im Hydraulikgehäuse 2 insbesondere auf die ordnungsgemäße Funktion der hydraulischen Ventilbremse zu testen.
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Sowohl das Außenteil 25 als auch das Innenteil 26 sind aus Stahlwerkstoff hergestellt. Lediglich das Innenteil 26 weist die im Hinblick auf die Axialführung des Nehmerkolbens 18 erforderliche Oberflächenverschleißfestigkeit der Führungsbohrung 24 auf und ist zu diesem Zweck gehärtet. Demgegenüber ist das Außenteil 25 zugunsten niedriger Herstellkosten wärmebehandlungsfrei hergestellt. Die Außenmantelfläche des folglich aus „weichem“ Stahlwerkstoff bestehenden Außenteils 25 ist zwecks der Selbstverstemmung mit der noch „weicheren“ Wandung der Aufnahmeöffnung 35 des (aus Aluminium bestehenden) Hydraulikgehäuses 2 mit zwei Ringnuten 33 und diese begrenzenden Durchmesserstufen 34 versehen, die in unverformten Zustand so stark mit dem Durchmesser der Aufnahmeöffnung 35 überlappen, dass das Einpressen der Kolbenführung 17 in das Hydraulikgehäuse 2 ein lokales Werkstofffließen der Wandung in die Ringnuten 33 bewirkt, wodurch die Kolbenführung 17 unlösbar formschlüssig in der Aufnahmeöffnung 35 befestigt wird.
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Die Mehrteiligkeit der Kolbenführung 17 ermöglicht es, im Axialbereich der Selbstverstemmung, d.h. lokal im axialen Bereich der Ringnuten 33 die Außenmantelfläche des Innenteils 26 von der Innenmantelfläche des Außenteils 25 radial zu beabstanden. Der radiale Abstand der beiden Mantelflächen liegt zumindest vor der Selbstverstemmung vor und ist so bemessen, dass die mit dem Verstemmen der Aufnahmeöffnung 35 unvermeidlich einhergehende Radialdeformation des Außenteils 25 nicht oder nicht wesentlich auf das Innenteil 26 übertragen wird und folglich dessen Führungsbohrung 24 die für die exakte Führung des Nehmerkolbens 18 erforderliche Zylinderform mit kleinem und eng toleriertem Führungsspiel beibehält.
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Der radiale Abstand ist im Axialbereich der gehäuseinnenseitigen Ringnut 33 durch eine Ringnut 36 an der Außenmantelfläche des Innenteils 26 und im Axialbereich der gehäuseaußenseitigen Ringnut 33 durch einen im Durchmesser reduzierten Absatz 37 am ventilseitigen Endabschnitt des Innenteils 26 gebildet.
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7 zeigt das ebenfalls nicht wärmebehandelte Außenteil 25 einer gegenüber 6 modifizierten Kolbenführung 17. Eine gehärtete Anschlagscheibe 38, die am „weichen“ Boden 27 befestigt ist, schützt das Außenteil 25 vor Sitzverschleiß durch den betrieblich hochfrequent daran anschlagenden Nehmerkolben 18.
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Die in 8 dargestellte Kolbenführung 17 unterscheidet sich von den beiden zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen durch folgende Details:
- - Die Selbstverstemmung des Außenteils 25 mit der Aufnahmeöffnung 35 im Hydraulikgehäuse 2 erfolgt durch nur eine Ringnut 33 mit der daran angrenzenden Durchmesserstufe 34;
- - Das Innenteil 26 ist im Außenteil 25 mittels eines mit dem Außenteil 25 verpressten Klemmrings 39 befestigt, der das Innenteil 26 in Anlage am Boden 27 hält. Der Klemmring 39 ist vorliegend im ventilseitigen Endabschnitt des Außenteils 25 eingepresst und liegt stirnseitig an der Stufe des Absatzes 37 des Innenteils 26 an;
- - Eine der Mantelflächen und vorliegend die Außenmantelfläche des Klemmrings 39 befindet sich in Klemmkontakt mit einer der Mantelflächen und vorliegend der Innenmantelfläche einer Hülse 40. Diese ist entgegen der Klemmkontaktkraft axial verschieblich auf (alternativ: in) dem Klemmring 39 gehaltert und hält den Nehmerkolben 18 und das hydraulische Ventilspielausgleichselement 19 gegen axiales Ausfahren und gegen Verlieren gesichert in der Kolbenführung 17, solange die Hydraulikeinheit 1 nicht in der Brennkraftmaschine montiert ist;
- - Die im Axialbereich der Selbstverstemmung verlaufende Ringnut 36 dient optional zur Aufnahme eines Dichtrings 41, der einen Leckagespalt zwischen der Außenmantelfläche des Innenteils 26 und der Innenmantelfläche des Außenteils 25 in Richtung einer Versorgungsbohrung 42 für das Ventilspielausgleichselement 19 abdichtet.
- - Der ventilseitige Endabschnitt des Außenteils 25 ist mit einer weiteren Ringnut 43 und einem darin eingelegten Dichtring 44 versehen, der die Versorgungsbohrung 42 gegenüber der Mündung der Aufnahmeöffnung 35 abdichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006008676 A1 [0003]
- DE 102011075894 A1 [0004]
- DE 102010021394 A1 [0005]
- DE 102013214651 A1 [0005]
- DE 102014201911 A1 [0005]
