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Die Erfindung betrifft eine Exzenter-Verstellvorrichtung
für einen
Kurbeltrieb, insbesondere zur Bereitstellung unterschiedlicher Verdichtungsverhältnisse
bei einer Brennkraftmaschine durch Änderung der Kolben-Totpunktpositionen.
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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 Innenumfangsflächen
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
Schaltbolzen in zwei verschiedene Rastpositionen auslenkbar ist.
Die Betätigung
des Schaltbolzens erfolgt über
eine in der Ölwanne
angeordnete Schaltrinne. 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
Massen- und 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 Exzenter-Verstellvorrichtung
für einen Kurbeltrieb
der eine Kurbelwelle mit wenigstens einem Kurbelzapfen, ein Pleuel
mit einem Kurbelzapfenauge und einem Kolbenbolzenauge sowie einen Kolben
aufweist, wobei in wenigstens einem der Pleuelaugen eine Exzenterschale
aufgenommen ist, und eine Arretiereinrichtung vorgesehen ist, zur
Festlegung der Exzenterschale in wenigstens zwei unterschiedlichen
Wirkpositionen relativ zu dem Pleuel, dem Kolben oder dem Kurbelzapfen,
und eine Rückdrehsicherung
vorgesehen ist, zur Ausschaltung einer, einen vorgegebenen Schwenkbereich überschreitenden
Rückschwenkbewegung
der Exzenterschale.
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Dadurch wird es auf vorteilhafte
Weise möglich,
die Exzenterschale im Rahmen sukzessive folgender Lastspiele zuverlässig in
die geforderte Schaltstellung zu schwenken.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung umfaßt
die Rückdrehsicherung
einen Rastmechanismus. Dieser Rastmechanismus umfaßt vorzugsweise
Rastflächen,
die im Zusammenspiel mit Rastelementen eine, ein vorgegebenes Rastintervall überschreitende
Rückdrehung der
Exzenterschale vermeiden. Die Rastelemente sind vorzugsweise derart
bewegbar angeordnet, dass deren Eingriffszonen bei Drehung der Exzenterschale
in die zugelassene Vorzugsdrehrichtung, auslenkbar sind und unmittelbar
nach Drehung der Exzenterschale um einen dem Rastintervall entsprechenden
Winkel, die exzenterschalenseitig vorgesehenen Rastflächen hintergreifen.
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Alternativ zu der Ausgestaltung der
Rückdrehsicherung
als Rastmechanismus – oder
auch in Kombination mit dieser Maßnahme – ist es möglich, die Rückdrehsicherung
durch einen Klemmechanismus zu bewerkstelligen, der beispielsweise
durch reibschlüssige
Kraftübertragung,
eine Rückdrehung der
Exzenterschale entgegen der Vorzugsdrehrichtung unterbindet.
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Eine besonders leichtgängige Drehung
der Exzenterschale in Vorzugsdrehrichtung kann dadurch erreicht
werden, dass die Rückdrehsicherung durch
einen Rollen- oder
Klemmkörperfreilauf
bewerkstelligt ist.
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Die Bereitstellung der vorangehend
beschriebenen Rückdrehsicherung,
insbesondere in Form eines Rastmechanismus, Klemmechanismus oder
auch Rollen-/Klemmkörperfreilaufes,
kann durch Ausbildung entsprechender geometrischer Strukturen im
Bereich des Pleuelauges oder auch im Bereich des Kurbelzapfens erfolgen.
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Vorzugsweise ist die Rückdrehsicherung derart
ausgebildet, dass das durch diese erreichte Rückdrehsperrintervall wenigstens
derart klein ist, dass eine der Exzenterschalen-Vorzugsdrehbewegung
entgegen gerichtete Rückdrehung
derselben in die Ausgangsposition unterbunden ist. Das Rückdrehsperrintervall
ist hierzu vorzugsweise kleiner als 180°.
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Eine besonders zuverlässige Schwenkung der
Exzenterschale in die durch die Vorzugsdrehbewegung angestrebte
Sollposition kann in vorteilhafter Weise dadurch erreicht werden,
dass der Umschaltschwenkbereich in wenigstens zwei Rastintervalle unterteilt
ist. Es ist möglich,
die Rastintervalle in unterschiedlicher Teilung auszubilden. Insbesondere
ist es möglich,
die den Endsperrstellungen benachbarten Rastintervalle vergleichsweise
klein auszubilden.
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Durch Verkleinerung des Rückdrehsperrintervalles,
wie es insbesondere durch Ausbildung der Rückdrehsicherung als Klemmechanismus
bewerkstelligbar ist, wird erreicht, dass die Exzenterschale nicht
oder zumindest nicht mit unzulässig
hoher Geschwindigkeit, in Sperrstellung zurück geschwenkt wird.
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Eine unter fertigungstechnischen
sowie montagetechnischen Gesichtspunkten besonders vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Exzenterschale geteilt
ausgebildet ist. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die
Kurbelwelle des eingangs genannten Kurbeltriebes als Integralbauteil,
insbesondere als gesenk-geschmiedete Kurbelwelle auszubilden. Die Teilung
der Exzenterschale erfolgt hierbei vorzugsweise im Bereich einer,
die Mittelachse der Innen- oder der Außenfläche der Exzenterschale enthaltenden,
Axialebene. Diese, die Exzenterschale teilende Axialebene verläuft vorzugsweise
im wesentlichen senkrecht zu einer durch die beiden parallelversetzten
Achsen der Exzenterschale definierten Axialebene.
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Vorzugsweise sind die beiden Schalenhälften derart
ausgebildet, daß deren
Relativposition in axialer und/oder radialer Richtung festgelegt
ist. Diese Positionsfestlegung kann erreicht werden, indem die Fügestelle
der beiden Schalenhälften
hinsichtlich ihrer Geometrie derart ausgebildet ist, daß sich in
radialer und/oder axialer Richtung eine formschlüssige Koppelung ergibt.
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Es ist auch möglich, im Bereich der Fügestellen,
Koppelungs- oder Fixierungsorgane, z. B.
Paßstifte
vorzusehen, durch welche eine Positionierung der Schalenhälften zueinander
erreicht wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung weist die Exzenterschale im Bereich ihrer axialen
Enden radial auskragende Flanken auf. Durch diese Radialflanken
ist es möglich,
die Exzenterschale in axialer Richtung zu lagern. Unabhängig von
der Bewerkstelligung einer Axiallagerung der Exzenterschale – oder auch
in Kombination mit dieser Maßnahme – ist es
gemäß einem
besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung auch möglich, Funktionskomponenten
der Rückdrehsicherung
durch entsprechende Ausbildung der Radialflanken bereitzustellen.
Insbesondere bei der Ausgestaltung der Rückdrehsicherung als Rastmechanismus
ist es möglich,
Rast-Schrägflächen an
diesen Radialflanken auszubilden.
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Bei der Ausbildung der Exzenterschale
als axial geteilte Struktur ist vorzugsweise eine Klammereinrichtung
vorgesehen, zur Verklammerung der beiden Komponenten, insbesondere
Schalenhälften, der
Exzenterschale. Die Klammereinrichtung kann derart ausgebildet sein,
daß diese
die Radialflanken zu einem, im wesentlichen ringartig umlaufenden Umfangsflansch,
ergänzt.
In vorteilhafter Weise können
Strukturabschnitte der Rückdrehsicherung
an der Klammereinrichtung ausgebildet sein. Hierdurch wird es insbesondere
möglich,
die Rückdrehsicherungsstrukturen
aus einem von der übrigen
Exzenterschale abweichenden Werkstoff auszubilden.
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Die Klammereinrichtungen sind vorzugsweise
derart angeordnet, dass diese die Teilungsebene der Exzenterschale übergreifen.
Eine bei einer geteilten Ausführung
der Exzenterschale im Hinblick auf eine geringe Unwucht vorteilhafte
Ausführungsform der
Erfindung ist dadurch gegeben, dass die, die Stoßstellen übergreifenden Klammereinrichtungen derart
angeordnet sind, dass diese einander diametral wechselseitig gegenüberliegen.
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Weitere Einzelheiten 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 einer erfindungsgemäßen Exzenterschale in geteilter
Bauform mit integral ausgebildeten Raststrukturen;
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2a Eine
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Exzenterschale
ebenfalls in geteilter Bauart jedoch zusätzlich mit Klammerelementen;
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2b Eine
Explosionsansicht der Exzenterschale nach 2a zur weiteren Erläuterung der Komponenten derselben;
Die in 1 dargestellte, geteilte
Exzenterschale 1 umfasst eine erste Schalenhälfte 2 und
eine an diese, über
Stoßstellen 3 und 4,
angrenzende zweite Schalenhälfte 5.
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Die beiden Schalenhälften 2, 5 begrenzen eine
innere, durch eine Lagermetallschicht gebildete Lagerfläche 6,
die bei Anordnung der Exzenterschale im Kurbelzapfen-Pleuelauge
auf einer Kurbelzapfenlagerfläche
(nicht dargestellt) läuft.
In der Lagerfläche 6 ist
eine umlaufende Ölnut
7 ausgebildet. Die Lagerfläche 6 bildet
eine zu einer Kurbelzapfenachse 8 konzentrische Zylinderfläche. Die
Exzenterschale 1 umfasst weiterhin eine zur Lagerfläche 6 exzentrisch angeordnete
Pleuelaugensitzfläche 9,
die konzentrisch zu einer Pleuelaugenachse 10 angeordnet
ist. Die Kurbelzapfenachse 8 und die Pleuelaugenachse 10 verlaufen
unter einem Exzentrizitätsabstand
e zueinander parallel. Die hier dargestellte Exzenterschale ist
derart ausgebildet, dass eine durch die beiden Achsen 8, 10 definierte
Exzenterachsenebene Π2, im wesentlichen senkrecht zu einer durch
die Stoßstellen 3, 4 definierten
Lagerschalen-Teilebene Π1 – die bei
dieser Ausführungsform
die Kurbelzapfenachse 8 einschließt – verläuft.
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Im Bereich ihrer axialen Enden ist
die Exzenterschale 1 jeweils mit einem Ringflansch 11, 12 versehen,
der bei dieser Ausführungsform
einstöckig
mit einem, die Lagerfläche 6 und
die Pleuelaugensitzfläche 9 bildenden
Nabenabschnitt gefertigt ist. Die beiden Ringflansche sind derart
ausgebildet, dass diese in Einbauposition in einem zwischen den
Kurbelzapfenwangen einer Kurbelwelle und der jeweiligen Pleuelaugenstirnfläche verbleibenden
Zwischenraum, mit einem hinreichenden Bewegungsspiel, aufgenommen
sind.
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Im Bereich ihrer, der jeweiligen
Pleuelaugenstirnfläche
zugewandten Innenseite sind beide Ringflansche 11, 12 mit
Raststrukturen 14 versehen, durch welche eine Rückdrehbewegung
der Exzenterschale 1, entgegen der hier durch das Pfeilsymbol
P angedeuteten Vorzugsdrehbewegung, unterbunden werden kann. Das
Rückdrehsperrintervall
E wird bei diesem Ausführungsbeispiel
bestimmt durch den Abstand abfolgend angeordneter Sperrstrukturen 14. Bei
dieser Ausführungsform
wird der Umschaltwinkel von 180° durch
die Sperrstrukturen 14 in mehrere Rückdrehsperrintervalle, die
beispielsweise kleiner als 120° sein
können,
unterteilt.
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Die Sperrstrukturen 14 bilden
Anschlagflächen 15 sowie
zu diesen hin abfallende Freiflächen 16.
Die Anschlagflächen 15 sind
derart ausgebildet, dass diese mit der Umfangsfläche eines hier nicht näher dargestellten
Rastelementes, das beispielsweise als federbelasteter Rastbolzen
ausgebildet sein kann, in Eingriff bringbar sind.
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Die beiden Ringflansche 11, 12 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
an einander diametral gegenüberliegenden
Positionen jeweils mit einer Rastausnehmung 16, 17 versehen,
in die ein zur Fixierung der Exzenterschale in der gewünschten
Extremstellung vorgesehenes Sperrelement eingreifen kann. Die Rastausnehmungen 16, 17 sind
hier als halbzylindrische Einbuchtungen ausgeführt. Das in die Rastausnehmungen 16, 17 bei
entsprechender Position der Exzenterschale eintauchende Sperrelement
entspricht vorzugsweise zugleich auch dem mit den Sperrstrukturen 14 in
Eingriff bringbaren, und eine unzulässig große Rüchdrehbewegung vermeidenden
Rastelement. Das hier nicht näher
dargestellte z. B. entlang einer Entriegelungsachse
X in eine Sperr- oder Verriegelungsposition bewegbare Rastelement
bildet im Zusammenspiel mit den Anschlagflächen 15 eine Rückdrehsicherung,
durch die eine unzulässig
große
Rückdrehbewegung
der Exzenterschale entgegen der Vorzugsdrehrichtung P vermieden
werden kann.
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Die Relativposition der beiden Schalenhälften 2, 5 zueinander
ist bei diesem Ausführungsbeispiel
durch eine Zentrierstruktur festgelegt, die hier zwei schräg gestellte
Stifte 30 aufweist. Diese Stifte 30 sind an einander
diametral gegenüberliegenden Positionen
in den Radialflanken angeordnet und bewirken aufgrund ihrer Schrägstellung,
eine formschlüssige
Festlegung der Relativposition der Lagerscha lenhälften sowohl in radialer als
auch in axialer Richtung. Die Stifte 30 sind vorzugsweise
derart ausgerichtet, daß diese
eine durch die Fügestellen
definierte Ebene mit unterschiedlicher Orientierung, schräg durchsetzen.
Es ist auch möglich,
mehr als zwei derartige Stifte vorzusehen. Die Stifte 30 können auch
als Zugkraftaufnehmende, insbesondere eine Vorspannung bewirkende
Mittel ausgebildet sein.
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Die Position der Rastausnehmung 16 relativ zu
einer gegenüberliegenden
Sperrschulter 31b ist derart abgestimmt, daß ein zunächst mit
der Rastausnehmung 16 in Eingriff stehendes Rastglied zwanglos
aus dieser herausbewegbar ist. Die Sperrschulter 31b ist
hierzu gegenüber
einer Projektion der Rastausnehmung 16 auf den Ringflansch 11,
um ein einen Winkel von z. B 2° in Drehrichtung
P nach vorne versetzt.
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Für
die, in den 2a und 2b dargestellte, zweite Ausführungsform
einer geteilten Exzenterschale gelten die vorangegangenen Ausführungsformen
sinngemäß. Die in
den 2a und 2b dargestellte Exzenterschale 1 umfaßt eine
Klammereinrichtung, die hier durch zwei Klammersegmente 18, 19 gebildet
ist. Die Klammersegmente 18, 19 sind aus einem
hochfesten Werkstoff gefertigt und übergreifen in dem in 2a dargestellten Montagezustand
die Stoßstellen 3, 4 der
Exzenterschale. Die Klammersegmente 18, 19 sind
jeweils mit Rastfingerabschnitten 20, 21 versehen – und wie
durch die Pfeilsymbole a1 a2 angedeutet – elastisch
aufweitbar. Die Rastfingerspitzen 20, 21 weisen
Eingriffsabschnitte 22, 23 auf, die in form- und/oder
kraftschlüssiger
Weise, mit komplementär
an dem jeweiligen Ringflansch 11, 12 ausgebildeten
Gegenstrukturen in Eingriff bringbar sind. Die Klammersegmente 18, 19 sind
bei dieser Ausführungsform
derart ausgebildet, dass diese z. B.
entweder nach Aufsetzen der beiden Schalenhälften 2, 3 auf
den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle, und/oder nach Montage des Pleuels
auf der Exzenterschale, in den zwischen den Pleuel und Kurbelzapfenwangen
der Kurbelwelle verbleibenden Zwischenraum, einsetzbar sind und
in diesem Zwischenraum mit dem jeweiligen Ringflansch 11, 12 in Rasteingriff
treten. Es ist auch möglich,
die Klammersegmente 18 derart auszubilden, daß diese
vor Montage des Pleuels, axial von Innen in den jeweiligen Ringflansch 11, 12,
bzw. die daran vorgesehenen Fixierstruktur, einsetzbar sind.
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Die Klammersegmente 18, 19 bilden
bei diesem Ausführungsbeispiel
Teil der erfindungsgemäß vorgesehenen
Rückdrehsicherung.
Hierzu sind die Klammersegmente 18, 19, ähnlich wie
in Verbindung mit 1 beschrieben,
mit Sperrstrukturen 14 versehen. Die in dieser Anordnung
zugelassene Vorzugsdrehbewegung ist durch das Pfeilsymbol P1 angedeutet. Eine Rückdrehbewegung wie durch das
Pfeilsymbol P2 angedeutet, ist nur im Rahmen
des durch den Abstand der Sperrstrukturen 14 bestimmten Rückdrehintervalls
möglich.
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Die Klammersegmente 18, 19 sind
derart ausgebildet, dass diese jeweils eine Rastfingerspitze 21 aufweisen,
die bis an eine zur Aufnahme eines vorzugsweise als axialverschiebbarer
Gleitstift ausgebildeten Rastelementes vorgesehene Rastausnehmung 16, 17 heran
ragen. Dadurch wird es möglich,
die Klammersegmente 18, 19 in Verriegelungsposition
unmittelbar mit dem Rastelement in Eingriff zu bringen. Durch die,
vermittels der Klammersegmente 18, 19 erreichte
mechanische Verbindung der beiden Schalenhälften 2, 5,
wird auf vorteilhafte Weise sicher gestellt, dass die Lagerstelle
zwischen dem Hubzapfen der Kurbelwelle und der exzentrischen Lagerschale
nicht durch Aufklaffen der Stoßstellen 3, 4 beeinträchtigt wird.
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In 2b ist
an dem Klammersegment 19 der Verlauf einer Rastschulter 13a erkennbar,
welche im Montagezustand der in 2a gezeigten Rastausnehmung 17 gegenüberliegt.
Die Konturierung dieser Rastschulter 13a entspricht im
wesentlichen dem daran ggf. anschlagenden Abschnitt eines Rastgliedes.
Die Umfangsposition der Rastschulter 13a ist derart festgelegt,
das die Rastschulter 13a in Vorzugsdrehrichtung der, durch
das Klammersegment 18 in der Rastausnehmung 17 gebildeten
Anschlagfläche
um einen kleinen Bewegungsspielwinkel vorangeht.
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Die Axialposition des jeweiligen
Klammersegmentes 18, 19 an dem Ringflansch 11, 12 kann kraftschlüssig, oder – wie hier
vorgesehen – formschlüssig, durch
Positionierstrukturen festgelegt sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist an jedem der Klammersegmente 18, 19 an dessen
Innenumfangsbereich durch kegelmantelartig verlaufende, schräge Ringschultern 32 ein
Ringprisma gebildet, das sich in einer komplementär ausgebildeten Zentriernut 33 positioniert.
Die Positionssicherung der Klammersegmente 18, 19 kann
auch durch anderweitige Eingriffstrukturen zwischen den Klammersegmenten 18, 19 und
den Ringflanschen 11, 12 erreicht werden.
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- 1
- Exzenterschale
- 2
- erste
Schalenhälfte
- 3
- Stoßstellen
- 4
- Stoßstellen
- 5
- zweite
Schalenhälfte
- 6
- Lagerfläche
- 7
- Ölnut
- 8
- Kurbelzapfenachse
- 9
- Pleuelaugensitzfläche
- 10
- Pleuelaugenachse
- e
- Exzentrizitätsabstand
- Π2
- Exzentrizitätsebene
- Π1
- Lagerschalenteilebene
- 11
- Ringflansch
- 12
- Ringflansch
- P
- Pfeilsymbol
- P1
- Pfeilsymbol
- P2
- Pfeilsymbol
- 14
- Sperrstrukturen
- E
- Rückdrehsperrintervall
- 15
- Anschlagflächen
- 16
- Rastausnehmung
- 17
- Rastausnehmung
- 18
- Klammersegmente
- 19
- Klammersegmente
- 20
- Rastfingerspitzen
- 21
- Rastfingerspitzen
- 22
- Rastabschnitte
- 23
- Rastabschnitte
- 30
- Stifte
- 31a,b
- Sperrschultern
- 32
- Ringschultern
- 33
- Zentriernut