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Die Erfindung betrifft eine Hydraulikeinheit einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine, umfassend:
- - ein Hydraulikgehäuse mit einer Aufnahmeöffnung,
- - eine mit der Wandung der Aufnahmeöffnung selbstverstemmte Kolbenführung
- - und einen in der Kolbenführung axialbeweglich geführten Pumpenkolben.
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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 den geberseitigen Pumpenkolben lagernde Kolbenführung kann - wie in der
DE 10 2006 008 676 A1 vorgeschlagen - in die Aufnahmeöffnung des Hydraulikgehäuses eingeschraubt sein.
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Alternativ zu dieser Schraubbefestigung soll gemäß
DE 10 2011 075 894 A1 die Kolbenführung mit dem Hydraulikgehäuse mittels einer Reibschweißverbindung gefügt werden.
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In der
DE 10 2010 021 394 A1 und der gattungsgemäßen
DE 10 2013 214 651 A1 ist es vorgeschlagen, die Kolbenführung und das Hydraulikgehäuse 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 Selbstverstemmung führt zwangsweise zu einer radial einwärtigen Deformation der Kolbenführung, so dass deren für die Führung des Pumpenkolbens erforderliche Zylinderform in unzulässigem Ausmaß beeinträchtigt werden kann.
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Eine Hydraulikeinheit mit einer mehrteiligen Kolbenführung ist aus der
DE 10 2011 002 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hydraulikeinheit der vorgenannten Art im Hinblick auf die Selbstverstemmung konstruktiv zu verbessern.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Kolbenführung mit einer Außenhülse und einer darin mittels eines Pressverbands befestigten Innenhülse mehrteilig ist, wobei die Außenmantelfläche der Innenhülse und die Innenmantelfläche der Außenhülse im Axialbereich der Selbstverstemmung radial voneinander beabstandet sind.
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Erfindungsgemäß kann die verstemmbedingte Verformung der Kolbenführung auf einfache Weise in dem radialen Zwischenraum zwischen der Innenhülse und der Außenhülse aufgenommen werden, ohne die Führungsbohrung der Innenhülse unzulässig zu verformen. Der radiale Abstand zwischen den Mantelflächen kann durch eine oder mehrere Umlaufnuten gebildet sein, die im Axialbereich der Selbstverstemmung an der Außenmantelfläche der Innenhülse und/oder an der Innenmantelfläche der Außenhülse verlaufen. Der radiale Abstand kann optional oder alternativ dadurch gebildet sein, dass die Innenhülse im Axialbereich der Selbstverstemmung eine Fase oder einen Radius als Übergang zwischen deren Außenmantelfläche und deren 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 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen. Deren Erläuterung geht vom Stand der Technik gemäß den 1 bis 7 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 Ventilsteuerung 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 den Querschnitt gemäß 2 mit dem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gebereinheit;
- 6 den Querschnitt gemäß 2 mit dem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gebereinheit;
- 7 die Verstemmung zwischen dem Hydraulikgehäuse und der Kolbenführung in vergrößerter Darstellung;
- 8 das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt;
- 9 das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung;
- 10 das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung 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 Ventilsteuerung 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 sind elektromagnetische Hydraulikventile 4 erkennbar.
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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 Nockenabgriffsfläche und einen federbelasteten Pumpenkolben 8, auf den die Nockenerhebung übertragen wird und der 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 Gaswechselventile der Brennkraftmaschine erkennbar. Die Nehmereinheit 14 steht mit dem Pumpenkolben 8 der Gebereinheit 3 über Kanäle 15 gemäß 2 und 16 gemäß 3 in hydraulischer Wirkverbindung und umfasst ein in das Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubtes Nehmergehäuse 17, einen darin axialbeweglich geführten und den Druckraum 9 begrenzenden Nehmerkolben 18, ein zwischen dem Nehmerkolben 18 und dem Gaswechselventil eingespanntes hydraulisches Ventilspielausgleichselement 19 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, während bei geöffnetem Hydraulikventil 4 ein schnelles Abströmen von Hydraulikmittel aus dem Druckraum 9 in den Druckentlastungsraum 11 (s. 2) 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 (s. 2) und 16 (s. 3) 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 (s. 2) 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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Die 5 bis 7 zeigen andere bekannte Ausführungen mit (geberseitigen) Nockenfolgern, die als Tassenstößel 23 mit Gleit- bzw. Rollenabgriff ausgebildet und mit einem Tassenhemd 24 in einer Stößelführung 25 des Hydraulikgehäuses 2 axialbeweglich geführt.
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Bei dem Tassenstößel 23 mit Gleitabgriff gemäß 5 geht das Tassenhemd 24 von einem Tassenboden 26 aus, dessen Außenseite die Nockenabgriffsfläche bildet und dessen Innenseite einen Boden 27 des Pumpenkolbens 8 betätigt. Zum Druckausgleich des Stößelinneren ist der Tassenboden 26 von zwei Öffnungen 28 durchsetzt.
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Bei dem Tassenstößel 23 mit Rollenabgriff gemäß 6 ist die Nockenabgriffsfläche eine reibungsarm nadelgelagerte Nockenrolle 7, die im Tassenhemd 24 achsgelagert ist. Die Betätigung des Pumpenkolbens 8 erfolgt durch einen Zwischenboden 29 mit einem das Tassenhemd 24 radial überragenden Vorsprung 30, der den Tassenstößel 23 in einer Längsnut 31 der Stößelführung 25 gegen Verdrehen sichert.
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Bei der Gebereinheit 3 in 2 ist der Pumpenkolben 8 in einer in das Hydraulikgehäuse 2 eingeschraubten Kolbenführung 32 axialbeweglich geführt. Um die damit verbundenen Nachteile und Risiken dieser Befestigungsart hinsichtlich des hohen Herstell- und Montageaufwands bzw. eines vorzeitigen Lösens der Schraubverbindung zu umgehen, ist diese durch die in den 5 bis 7 dargestellte Selbstverstemmung der Kolbenführung 32 im Hydraulikgehäuse 2 ersetzt. Bei diesem an sich bekannten Fügeverfahren bestehen die beiden zu fügenden Partner aus Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit, nämlich die Kolbenführung 32 aus Stahl und das Hydraulikgehäuse 2 aus relativ weichem Aluminium. Wie es aus der vergrößerten Darstellung in 7 deutlich wird, weist das Hydraulikgehäuse 2 eine im Durchmesser gestufte Aufnahmeöffnung 33 für die ebenfalls im Durchmesser gestufte Kolbenführung 32 auf. Dabei überlappen sich die Durchmesser vor dem Fügeprozess lokal so stark, dass beim Einpressen der Kolbenführung 32 in die Aufnahmeöffnung 33 deren Wandung in äußere Ringnuten 34 und 35 der Kolbenführung 32 fließt und diese unlösbar formschlüssig in der Aufnahmeöffnung 33 des Hydraulikgehäuses 2 befestigt.
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Wie ferner in den 5 und 6 erkennbar, steht jeweils die Kolbenführung 32 gegenüber der Aufnahmeöffnung 33 hervor und begrenzt gemeinsam mit der Stößelführung 25 einen Ringraum 36, in den das der Nockenerhebung folgende Tassenhemd 24 eintaucht. Die den Pumpenkolben 8 belastende Rückstellfeder 37 ist innerhalb des Pumpenkolbens 8 und der Kolbenführung 32 angeordnet und stützt sich einerseits am offenen Boden 38 der Kolbenführung 32 und andererseits am geschlossenen Boden 27 des Pumpenkolbens 8 ab. Durch diese Anordnung und durch die gegenüber 2 entgegengerichtete Orientierung der offenen Seite des hohlzylindrischen Pumpenkolbens 8 zum Druckraum 9 hin kann die Länge der Rückstellfeder 37 zugunsten einer verbesserten Federkennlinie maximiert werden.
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Als auswärtige Hubbegrenzung des Pumpenkolbens 8 gegenüber der Kolbenführung 32 dient ein Sicherungsring 39, gegen den eine Durchmesserstufe 40 des Pumpenkolbens 8 anläuft (siehe 7), wenn dieser nicht mittels des Tassenstößels 23 vom Nocken abgestützt ist.
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Die in den 8 bis 10 dargestellten Pumpenkolben 8 haben einen Rollenabgriff mit einer Nockenrolle 7, deren Rollenachse 41 unmittelbar im Gehäuse des Pumpenkolbens 8 gelagert ist. Die Verdrehsicherung der Nockenrolle 7 um die Längsachse des Pumpenkolbens 8 erfolgt bei der ersten Ausführung gemäß 8 über einen in der Kolbenführung 32 quer eingepressten Verdrehsicherungsstift 42, dessen innerer Endabschnitt in eine Längsnut 43 des Pumpenkolbens 8 eingreift. Bei der zweiten Ausführung gemäß den 9 und 10 ist die Verdrehsicherung des Pumpenkolbens 8 durch eine im wesentlichen C-förmige Federklammer 44 gebildet, deren Schenkel um die Kolbenführung 32 elastisch herum geschnappt und durch einen radial einwärtigen Vorsprung 45 verbunden sind, der die Kolbenführung 32 quer durchsetzt und ebenfalls in eine Längsnut 43 des Pumpenkolbens 8 eingreift.
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Die den Pumpenkolben 8 belastende Rückstellfeder 37 ist bei der ersten Ausführung gemäß 8 zwischen einem am Pumpenkolben 8 außen abgestützten Federteller 46 einerseits und dem Hydraulikgehäuse 2 andererseits eingespannt, wobei die Rückstellfeder 37 den Pumpenkolben 8 und die Kolbenführung 32 umschließt. Das gehäuseseitige Ende des Pumpenkolbens 8 ist zwecks Erhöhung der hydraulischen Steifigkeit mit einer darin eingepressten Kugel 51 verschlossen.
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Bei der zweiten Ausführung gemäß den 9 und 10 erfolgt die Befederung des Pumpenkolbens 8 durch die in dessen Innern angeordnete Rückstellfeder 37.
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Der Verdrehsicherungsstift 42 und die Federklammer 44 dienen nicht nur als Verdrehsicherung, sondern auch als Transportsicherung, die bei Abwesenheit der Nockenwelle den Pumpenkolben 8 entgegen der Rückstellfederkraft verliersicher in der Kolbenführung 32 hält. Im Falle der zweiten Ausführung gemäß den 9 und 10 hält die Verliersicherung die dort dargestellten Komponenten als vormontierte und -geprüfte Gebereinheit 3 zusammen, die dann mit einem Hydraulikgehäuse 2 verstemmt wird.
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Erfindungsgemäß ist die Kolbenführung 32 mit einer Außenhülse 47 und einer darin eingepressten Innenhülse 48 mehrteilig ausgeführt. Dies ermöglicht es, im Axialbereich der Selbstverstemmung, d.h. im axialen Bereich der (einzigen) Ringnut 34 gemäß 8 bzw. Ringnuten 34 und 35 gemäß 10 die Außenmantelfläche der Innenhülse 48 von der Innenmantelfläche der Außenhülse 47 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 33 unvermeidlich einhergehende, radiale Deformation der Außenhülse 47 nicht oder nicht wesentlich auf die Innenhülse 48 übertragen wird und folglich deren Innenmantelfläche die für die exakte Führung des Pumpenkolbens 8 erforderliche Zylinderform mit kleinem und eng toleriertem Führungsspiel beibehält.
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Der radiale Abstand ist bei der ersten Ausführung gemäß 8 durch eine Fase 49 (alternativ einen Radius) gebildet, die im Axialbereich der Ringnut 34 als Übergang zwischen der Außenmantelfläche und der gehäuseseitigen Axialstirnseite der Innenhülse 48 dient.
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Bei der zweiten Ausführung gemäß den 9 und 10 ist der radiale Abstand der beiden Mantelflächen im Bereich der (ersten) Ringnut 34 durch eine Umlaufnut 50 an der Innenmantelfläche der Außenhülse 47 und im Bereich der (zweiten) Ringnut 35 ebenfalls durch eine Fase 49 an der Außenmantelfläche der Innenhülse 48 gebildet.
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Die erfindungsgemäße Kolbenführung 32 ist zugunsten möglichst niedriger Herstellkosten so konstruiert, dass lediglich die Innenhülse 48 die im Hinblick auf die Axialführung des Pumpenkolbens 8 erforderliche Oberflächenverschleißfestigkeit aufweist und zu diesem Zweck gehärtet ist. Die ebenfalls aus Stahlwerkstoff bestehende Außenhülse 47 ist hingegen wärmebehandlungsfrei hergestellt und folglich nicht gehärtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hydraulikeinheit
- 2
- Hydraulikgehäuse
- 3
- Gebereinheit
- 4
- Hydraulikventil
- 5
- Abstützelement
- 6
- Schlepphebel
- 7
- Rolle
- 8
- Pumpenkolben
- 9
- Druckraum
- 10
- Gehäusedeckel
- 11
- Druckentlastungsraum
- 12
- Druckspeicherkolben
- 13
- Temperatursensor
- 14
- Nehmereinheit
- 15
- Kanal
- 16
- Kanal
- 17
- Nehmergehäuse
- 18
- Nehmerkolben
- 19
- Ventilspielausgleichselement
- 20
- Ventilbremse
- 21
- Ringnut
- 22
- Bohrung
- 23
- Tassenstößel
- 24
- Tassenhemd
- 25
- Stößelführung
- 26
- Tassenboden
- 27
- Boden des Pumpenkolbens
- 28
- Öffnung im Tassenboden
- 29
- Zwischenboden
- 30
- Vorsprung am Zwischenboden
- 31
- Längsnut der Stößelführung
- 32
- Kolbenführung
- 33
- Aufnahmeöffnung
- 34
- Ringnut
- 35
- Ringnut
- 36
- Ringraum
- 37
- Rückstellfeder
- 38
- Boden der Kolbenführung
- 39
- Sicherungsring
- 40
- Durchmesserstufe
- 41
- Rollenachse
- 42
- Verdrehsicherungsstift
- 43
- Längsnut
- 44
- Federklammer
- 45
- Vorsprung
- 46
- Federteller
- 47
- Außenhülse
- 48
- Innenhülse
- 49
- Fase
- 50
- Umlaufnut
- 51
- Kugel