DE102011017230A1

DE102011017230A1 - Stelleinrichtung zum variablen Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102011017230A1
Application number: DE201110017230
Authority: DE
Inventors: Dr. Ing. Fieweger Klaus; Dipl.-Ing. Finkbeiner Hansjörg; Gernot Kurtzer; Dipl.-Ing. Lengfeld Markus; Dipl.-Ing. Schröer Dietmar; Dipl.-Ing. Seidel Georg; Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg Alexander von
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2012-08-16
Also published as: WO2012139615A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung (10) zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Übertragungseinrichtung (14), über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist, wobei zumindest eine Spieleinstelleinrichtung (24) mit wenigstens einem Stellglied vorgesehen ist, mittels welchem ein Spiel der Übertragungseinrichtung (14) durch Bewegen wenigstens eines ersten Übertragungselements (18) relativ zu mindestens einem zweiten, zumindest zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses mit dem ersten Übertragungselement (18) eine Wirkverbindung ausbildenden Übertragungselement (20) der Übertragungseinrichtung (14) einstellbar und fixierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Die DE 195 25 831 A1 offenbart ein Planetengetriebe mit einem angetriebenen Sonnenrad und mit einem ersten und einem zweiten, jeweils innen- und konisch verzahnten Hohlrad, von denen das erste feststeht und das zweite drehantreibbar gelagert ist und den Abtrieb bildet. Das Planetengetriebe umfasst ferner Stufenplaneten mit konisch verzahnten Stufenrädern, die in einem Planetenträger in der Weise gelagert sind, dass sie in ständigem Zahneingriff mit dem Sonnenrad und den Hohlrädern stehen. Es ist vorgesehen, dass die Neigungswinkel der Verzahnungen der Stufenräder sowie der Hohlräder zueinander entgegengesetzt verlaufen.
Der EP 1 307 642 B1 ist eine Hubkolben-Brennkraftmaschine als bekannt zu entnehmen. Die Hubkolben-Brennkraftmaschine umfasst einen in einem Zylinder verschieblich angeordneten Kolben, der mit einem Pleuel gelenkig gekoppelt ist, dessen Bewegung auf eine Kurbel einer Kurbelwelle übertragbar ist. Zwischen dem Pleuel und der Kurbel ist ein Übertragungsglied vorgesehen, dessen Bewegung über einen Steuerhebel manipulierbar ist, mit dem Ziel, eine steuerbare Bewegung des Kolbens zu gewährleisten, insbesondere um eine Variierung des Verdichtungsverhältnisses und des Kolbenhubs zu ermöglichen. Das Übertragungsglied ist als Schwenkhebel ausgebildet, der über ein Gelenk mit der Kurbel gekoppelt ist, wobei dieses Gelenk im zwischenliegenden Bereich zwischen einem Lagerpunkt des Querhebels zum Steuerhebel und einem Lagerpunkt des Querhebels zum Pleuel liegt. Das Gelenk ist zwischen Querhebel und Kurbel mit Abstand zur Verbindungslinie zwischen den beiden Lagerpunkten des Querhebels zum Steuerhebel beziehungsweise zum Pleuel angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Pleuel-Lagerpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Steuerhebel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt und die Seitenlänge zwischen dem Pleuel-Lagerpunkt und dem Kurbel-Gelenkpunkt sich bezogen auf den Kurbelradius auf bestimmte Weise bemessen.
Bei dieser sowie bei anderweitigen, aus der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen bekannten Stelleinrichtungen zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses der entsprechenden Verbrennungskraftmaschine wird jeweils wenigstens eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen des Verdichtungsverhältnisses eingesetzt. Dabei hat es sich gezeigt, dass es zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung kommen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche ein verbessertes Geräuschverhalten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Eine solche Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, umfasst wenigstens eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Kräften und/oder Drehmomenten, über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Mit anderen Worten, zum Einstellen beziehungsweise Verstellen des Verdichtungsverhältnisses sind von der Stelleinrichtung Kräfte und/oder Drehmomente aufzuwenden und abzustützen, welche über die Übertragungseinrichtung übertragen werden.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Spieleinstelleinrichtung mit wenigstens einem Stellglied vorgesehen, mittels welchem ein Spiel der Übertragungseinrichtung einstellbar ist. Dazu ist wenigstens ein erstes Übertragungselement der Übertragungseinrichtung relativ zu mindestens einem zweiten Übertragungselement der Übertragungseinrichtung bewegbar und so einstellbar. Das erste und das zweite Übertragungselement erfüllen dabei die Aufgabe, die Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses zu übertragen. Zumindest zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist zwischen dem ersten und dem zweiten Übertragungselement eine entsprechende Wirkverbindung ausbildbar, so dass die Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses über das erste und das zweite Übertragungselement der Übertragungseinrichtung übertragen werden.
Die Spieleinstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ermöglicht es dabei, ein unerwünschtes Spiel beziehungsweise einen unerwünschten Wert des Spiel zwischen den Übertragungselementen der Übertragungseinrichtung durch Einstellen beziehungsweise Nacheinstellen des Spiels auf einen gewünschten Wert zu korrigieren. Dadurch wird insbesondere ein unerwünscht großes Spiel, das heißt ein unerwünscht großer Wert des Spiels, kompensiert und auf einen demgegenüber geringeren Wert eingestellt. Ebenso möglich ist es, die Übertragungselemente zumindest im Wesentlichen spielfrei einzustellen, wobei das Spiel zumindest im Wesentlichen auf den Wert Null reduziert wird.
Darüber hinaus ist es möglich, ein unerwünscht geringes Spiel, das heißt einen unerwünscht geringen Wert des Spiels, zu vergrößern beziehungsweise auf einen demgegenüber größeren Wert einzustellen. Dies kann einem effizienten Betrieb der Übertragungseinrichtung und damit der gesamten Stelleinrichtung zugute kommen, so sodass diese einen nur sehr geringen Energiebedarf aufweist.
Durch diese bedarfsgerechte Einstellung des Spiels und die Kompensation unerwünschter Werte des Spiels kann die Entstehung von unerwünschten Geräuschen während des Betriebs der Stelleinrichtung und der Verbrennungskraftmaschine vermieden werden. Dadurch können beispielsweise Insassen eines Fahrgastraums eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, mit der Verbrennungskraftmaschine und der Stelleinrichtung den Betrieb der Stelleinrichtung und insbesondere Stellvorgänge zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses nicht akustisch wahrnehmen. Dadurch kann die Geräuschbelastung der Insassen sehr gering gehalten werden, was insbesondere dem Reisekomfort des Kraftwagens zugute kommt. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei langen Reisen zum Tragen.
Ein weiterer Vorteil der bedarfsgerechten Einstellbarkeit des Spiels ist, dass sich dadurch Belastungen der Übertragungseinrichtung und damit der Stelleinrichtung gering halten lassen. Dies kommt einer hohen Lebensdauer der Stelleinrichtung zugute. Die Stelleinrichtung weist somit eine hohe Funktionserfüllungssicherheit auf und kann das Verdichtungsverhältnis zumindest im Wesentlichen über die gesamte Lebensdauer hinweg effizient und präzise einstellen und an thermodynamische Erfordernisse der Verbrennungskraftmaschine anpassen. So kann die Verbrennungskraftmaschine über ihre zumindest nahezu gesamte Lebensdauer hinweg besonders effizient betrieben werden, was ihren Kraftstoffverbrauch sowie ihre CO₂-Emissionen in einem geringen Rahmen hält.
Bei dem Spiel handelt es sich insbesondere um eine fertigungsbedingte und/oder anwendungsbedingte Bewegungsfreiheit zwischen den Übertragungselementen. Während des Betriebs über eine bestimmte Lebensdauer beziehungsweise Zeitspanne hinweg wirken auf die Übertragungseinrichtung und damit die Übertragungselemente unterschiedliche Einflüsse und Belastungen, welche eine Veränderung des beispielsweise bei der Fertigung und der Erstmontage der Stelleinrichtung eingestellten Spiels bewirken können. Dabei kann es vorkommen, dass das Spiel (die Bewegungsfreiheit) zwischen den Übertragungselementen insbesondere infolge eines Verschleißes der Stelleinrichtung zunimmt. Infolge dieses erhöhten Spiels können sich die Übertragungselemente unerwünscht stark, das heißt über einen unerwünscht großen Weg, relativ zueinander bewegen. Daraus kann ein Klappern, Rasseln oder dergleichen Geräuschentwicklung resultieren. Dies ist durch das bedarfsgerechte Einstellen des Spiels mittels der Spieleinstelleinrichtung vermieden.
Ebenso möglich ist es, dass sich das Spiel (die Bewegungsfreiheit) infolge des Betriebs verringert. Dann ist eine Erhöhung des Spiels wünschenswert, was mittels der Spieleinstelleinrichtung bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung realisierbar ist. Dabei kann das Spiel unter Vermeidung der Entstehung der unerwünschten Geräusche vergrößert werden, so dass beispielsweise die innere Reibung der Übertragungseinrichtung gering gehalten werden kann. Dadurch kann die Übertragungseinrichtung und damit die gesamte Stelleinrichtung besonders effizient betrieben werden. Daraus ist ersichtlich, dass das Spiel mittels der Spieleinstelleinrichtung quasi in beide Richtungen kompensierbar ist.
Liegt ein unerwünscht großes Spiel beziehungsweise ein unerwünscht großer Wert des Spiels vor, so kann das Spiel hin zu einem geringeren Spiel eingestellt und korrigiert werden. Liegt ein unerwünscht geringes Spiel, das heißt ein unerwünscht geringer Wert des Spiels, vor, so kann das Spiel hin zu einem vorteilhaften, größeren Spiel korrigiert und nachjustiert werden. Dadurch können sowohl unerwünschte und unangenehme Geräusche vermieden, sowie ein besonders hoher Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung und damit der gesamten Stelleinrichtung verwirklicht werden.
Das Stellglied der Spieleinstelleinrichtung ermöglicht dabei ein zumindest nahezu kontinuierliches bzw. beliebig oft wiederholbares Einstellen und Justieren des Spiels automatisch über die Lebensdauer der Stelleinrichtung hinweg. Das bedeutet, dass das Spiel nicht nur bei der Fertigung und der Erstmontage der Stelleinrichtung sowie gegebenenfalls im Rahmen von Wartungs- und Reparaturarbeiten der Stelleinrichtung, sondern auch während des Betriebs beziehungsweise während der Lebensdauer zwischen zwei Wartungsintervallen ohne das Zutun einer Person eingestellt werden kann. So kann ein dauerhafter, effizienter Betrieb der Stelleinrichtung ohne die Entstehung von unerwünschten Geräuschen realisiert werden.
Dieses zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Justieren, das heißt Einstellen, des Spiels während des Betriebs der Übertragungseinrichtung, das heißt auch nach der Erstmontage sowie zwischen Wartungs- beziehungsweise Reparaturintervallen, birgt dabei sowohl Vorteile gegenüber kraftdefinierten Anfedermechanismen zum Einstellen des Spiels als auch gegenüber wegdefinierten Einstellmechanismen zum Einstellen des Spiels. Die kraftdefinierten Anfedermechanismen, wobei die Übertragungselemente relativ zueinander kraftbeaufschlagt werden, wodurch das Spiel auf einem vorgebbaren Wert zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird, weisen insbesondere den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung negativ beeinflusst werden kann. Dies resultiert aus relativ hohen, permanent wirkenden Kräften, welche auf die Übertragungselemente wirken und welche einen unvorteilhaften und permanenten Kontakt der Übertragungselemente bewirken.
Die wegdefinierten Einstellmechanismen, bei welchen die Übertragungselemente einmalig bei der Erstmontage und gegebenenfalls bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten der Stelleinrichtung relativ zueinander bewegt, wodurch das Spiel eingestellt wird, weisen insbesondere den Nachteil auf, dass es zu einer unvorteilhaften Veränderung, insbesondere Vergrößerung, des Spiels über die Lebensdauer und des Betriebs der Stelleinrichtung hinweg kommt, da beispielsweise Glättungseffekte zwischen den Übertragungselementen auftreten.
Diese Problematiken sind durch die Spieleinstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung vermieden, da das Spiel automatisch mittels des Stellglieds auch nach der Erstmontage und zwischen Wartungsintervallen nachjustiert und auf bedarfsgerechte Werte einstellt.
Die Einstellung des Spiels zwischen den Übertragungselementen bei der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung erfolgt dabei wegdefiniert. Jedoch ist der bezüglich der wegdefinierten Einstellmechanismen geschilderte Nachteil verhindert, da das Stellglied das Spiel automatisch über die Lebensdauer und den Betrieb hinweg eingestellt und nachjustiert wird, so dass beispielsweise die geschilderten Glättungseffekte sowie anderweitige, das Spiel verändernde Einflüsse selbsttätig, das heißt automatisch, ohne das Zutun einer Person kompensiert werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Übertragungselemente als Zahnräder, insbesondere eines Getriebes, der Übertragungseinrichtung ausgebildet. Zum Ausbilden der Wirkverbindung stehen die Zahnräder über jeweilige Verzahnungen miteinander im Eingriff. Die Zahnräder erlauben dabei eine besonders effiziente und wirkungsgradgünstige Übertragung der Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses. Weisen die Zahnräder eine Übersetzung auf, welche von Eins unterschiedlich ist, so können dadurch die beispielsweise von einem Aktor der Stelleinrichtung aufzuwendende Kräfte und/oder Drehmomente zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses betragsmäßig gering gehalten werden.
Die Spieleinstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung ermöglicht dabei das zumindest im Wesentlichen kontinuierliche bzw. beliebig oft wiederholbare Einstellen des Spiels zwischen den Verzahnungen, so dass insbesondere unerwünschte Zahnflankenspiele der Verzahnungen verhindert werden können. Dadurch können auch Geräusche infolge eines Zahnflankenwechsels vermieden werden, so dass die Stelleinrichtung ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten aufweist.
Darüber hinaus ist es bei dieser Ausführungsform möglich, ein zu geringes Spiel zwischen den Verzahnungen ebenso zu vermeiden. Ein zu geringes Spiel würde gegebenenfalls zu einer unerwünscht hohen Reibung des Getriebes beziehungsweise der Zahnräder führen, was den Wirkungsgrad des Getriebes negativ beeinträchtigen kann. Dies ist durch die Spieleinstelleinrichtung vermieden, da das Spiel bedarfsgerecht auf einen gewünschten und vorteilhaften Wert eingestellt kann. Insbesondere bei dieser Ausführungsform weist die Einstellung des Spiels mittels des Stellglieds den zuvor geschilderten Vorteil auf, dass Glättungseffekte zwischen Oberflächen der Verzahnungen kompensiert werden können, so dass das Spiel nachjustiert werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Achsabstand zwischen den Zahnrädern durch Bewegen wenigstens eines der Zahnräder relativ zu dem anderen Zahnrad einstellbar. Dadurch kann das Spiel besonders einfach und in einer besonders kurzen Zeit eingestellt werden. Dies kommt dem effizienten Betrieb der gesamten Stelleinrichtung zugute.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Zahnräder zumindest im Wesentlichen konisch, insbesondere als Kegelzahnräder, ausgebildet. Dadurch ist ein besonders hoher Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung realisierbar, was dem effizienten Betrieb der Übertragungseinrichtung und damit der gesamten Stelleinrichtung zugute kommt. Ferner kann dadurch der Bauraumbedarf der Stelleinrichtung gering gehalten werden, was zur Lösung und/oder zur Vermeidung von Package-Problemen insbesondere in einem platzkritischen Bereich wie einem Motorraum des Kraftwagens führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zum Einstellen des Spiels wenigstens eines der Zahnräder in dessen axialer Richtung relativ zu dem anderen Zahnrad bewegbar. Dadurch ist eine besonders einfache, kostengünstige und bauraumgünstige Einstellbarkeit des Spiels geschaffen, wodurch sich die unerwünschten Geräusche vermeiden lassen, sowie ein besonders hoher Wirkungsgrad des Getriebes realisieren lässt.
In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Spieleinstelleinrichtung eine Fixiereinrichtung. Mittels der Fixiereinrichtung ist eine durch das Bewegen der Übertragungselemente, insbesondere der Zahnräder, relativ zueinander eingestellte Relativposition der Übertragungselemente fixierbar. Mit anderen Worten, das Stellglied bewegt zum Einstellen des Spiels die Übertragungselemente relativ zueinander, wodurch diese in die gegenseitige Relativposition bewegt werden. Nach erfolgter Bewegung der Übertragungselemente relativ zueinander kann die Fixiereinrichtung diese Relativposition fixieren, so dass das eingestellte Spiel zumindest im Wesentlichen und wenigstens vorübergehend gehalten wird.
Die Fixiereinrichtung kann dabei als zu dem Stellglied zusätzliche und/oder separat von diesem ausgebildete Fixiereinrichtung ausgebildet sein. Dabei ist die Fixiereinrichtung eine von dem Stellglied unterschiedliche Fixiereinrichtung. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Fixiereinrichtung und das Stellglied in wenigstens einem gemeinsamen Gehäuseteil integriert sind. Das Vorsehen der Fixiereinrichtung birgt den Vorteil, dass das Stellglied lediglich Kräfte und/oder Drehmomente aufbringen muss, um die Übertragungselemente relativ zueinander zu bewegen. Es ist nicht vonnöten, dass das Stellglied auch eine Fixierkraft zum Fixieren der Übertragungselemente relativ zueinander aufbringt. Diese Fixierkraft wird mittels der Fixiereinrichtung aufgebracht und aufgewendet. Diese Funktionstrennung birgt den Vorteil, dass dadurch das Stellglied und die Fixiereinrichtung besonders effizient und bedarfsgerecht auf ihre jeweilige Funktion hin ausgestaltet und ausgelegt werden können.
Die zum Einstellen des Spiels aufzubringenden Kräfte und/oder Drehmomente, welche als Einstellkraft bezeichnet werden, sind dabei gering im Vergleich zu der notwendigen Fixierkraft und/oder zu einem notwendigen Fixiermoment zum Fixieren der Relativposition, welche als Abstützkraft beziehungsweise Abstützkräfte bezeichnet werden. Diese Funktionstrennung ermöglicht somit die Darstellung eines besonders hohen Wirkungsgrads der Übertragungseinrichtung, insbesondere des Getriebes. Zum Einstellen beziehungsweise zum Nachjustieren des Spiels wird die Fixiereinrichtung derart betätigt, dass sie eine Relativbewegung der Übertragungselemente zulässt. Nach erfolgter Relativbewegung der Übertragungselemente zueinander zum Einstellen des Spiels wird die Fixiereinrichtung wieder derart betätigt, dass die Relativposition zwischen den Übertragungselementen fixiert ist. Durch dieses Fixieren beziehungsweise Lösen und Einstellen des Spiels durch Einstellen der Relativposition kann eine Veränderung des Spiels, insbesondere eine Vergrößerung desselbigen, zumindest im Wesentlichen über die gesamte Lebensdauer hinweg kompensiert werden.
Die Fixierung mittels der Fixiereinrichtung birgt ferner den Vorteil, dass eine Anstellkraft zum Einstellen des Spiels besonders gering gehalten werden kann, da die Anstellkraft nicht Reaktionskräfte aus den Verzahnungen der Zahnräder abzustützen, sondern lediglich die Relativbewegung der Zahnräder zueinander aufzuwenden hat.
Das Einstellen des Spiels durch Bewegen der Übertragungselemente, insbesondere der Zahnräder, relativ zueinander, wird insbesondere in vorgebbaren Zuständen, insbesondere Betriebszuständen, der Stelleinrichtung durchgeführt. Bei einem solchen vorteilhaften Zustand, in welchem das Spiel vorteilhafterweise eingestellt wird, herrschen beispielsweise besonders niedrige Lasten in dem Getriebe. Wenn die abzustützenden, aus der Verzahnung wirkenden Kräfte, je nach Lastzustand des Getriebes während des Spieleinstellvorgangs, größer als die Anstellkraft sind, kann auch eine Spielvergrößerung erreicht werden.
Die relativ hohen Reaktionskräfte aus den Verzahnungen der Zahnräder bei hohen Lastzuständen des Getriebes werden zumindest im Wesentlichen weglos mittels der Fixiereinrichtung abgestützt. Dies erfolgt bedarfsgerecht und nur dann, wenn die Reaktionskräfte auch tatsächlich auftreten. So ist keine statische Vorspannung mit einer entsprechend unvorteilhaften Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Übertragungseinrichtung vorgesehen und vonnöten.
Es kann vorgesehen sein, dass eine Stellkraft zum Einstellen des Spiels, das heißt zum Bewegen der Übertragungselemente relativ zueinander, zumindest im Wesentlichen zentrisch auf das erste Übertragungselement aufbringbar ist. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Stellkraft zumindest im Wesentlichen exzentrisch auf das erste Übertragungselement aufgebracht und in dieses eingeleitet wird. Dabei kann die Stellkraft beispielsweise über ein Federelement auf zumindest das erste Übertragungselement aufgebracht und in dieses eingeleitet werden.
Im Falle der Zahnräder als die Übertragungselemente kann es von Vorteil sein, die Stellkraft exzentrisch in zumindest eines der Zahnräder einzuleiten und auf dieses aufzubringen, und zwar in der Weise, dass ein durch Verzahnungskräfte auf das Zahnrad wirkende Kippmoment verringert wird. Daraus resultiert ein tieferes Zustellen, woraus wiederum ein minimales Spiel resultiert. Ebenso möglich ist es, dass infolge der exzentrischen Einleitung der Stellkraft das durch die Verzahnungskräfte auf das Zahnrad wirkende Kippmoment vergrößert wird. Daraus resultiert ein weniger tiefes Zustellen, woraus wiederum ein definiertes Restspiel resultiert. Dies kommt der Leichtgängigkeit des Getriebes zugute, so dass diese mit einer besonders geringen Reibung und damit besonders effizient betrieben werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Fixieren der Relativposition der Übertragungselemente zueinander ein Reibschluss und/oder ein Formschluss ausbildbar ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass zum Fixieren der Relativposition zumindest eines, insbesondere des ersten, der Übertragungselemente durch den Reibschluss und/oder den Formschluss relativ zu dem anderen, insbesondere dem zweiten, Übertragungselement fixierbar ist. Dadurch kann die Relativposition mit einer besonders hohen Haltekraft bei geringer Betätigungskraft fixiert werden. Im Falle der formschlüssigen Fixierung ist beispielsweise eine Rasterung mit einer Mehrzahl an Raststufen vorgesehen.
Zur Darstellung einer besonders festen Fixierung durch den Reibschluss ist beispielsweise wenigstens ein Reibbelag vorgesehen, über welchen das entsprechende Übertragungselement relativ zu dem anderen Übertragungselement fixiert werden kann.
Vorteilhafterweise ist eine Fixierkraft zum Fixieren der Relativposition schaltbar und betragsmäßig groß genug, um entgegen der Fixierung wirkende Kräfte und/oder Drehmomente über den Reibschluss und/oder den Formschluss abstützen zu können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein elastisches Element, Insbesondere ein Federelement, vorgesehen, über welches die Stellkraft zum Einstellen des Spiels von dem Stellglied auf das entsprechende Übertragungselement, insbesondere auf das erste Übertragungselement, aufbringbar ist. Durch das elastische Element ist eine vorgebbare Nachgiebigkeit oder dergleichen, vorteilhafterweise mit einer vorgebbaren Kraft-Weg-Kennlinie und/oder Steifigkeit, zwischen dem Stellglied und dem zu bewegenden Übertragungselement dargestellt. Da die Stellkraft wesentlich geringer sein kann als Reaktionskräfte beim Übertragen von Kräften und/oder Drehmomenten zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses, welche auf und gegen die Fixiereinrichtung wirken, ist im fixierten Zustand nur eine sehr geringe statische Vorspannung durch den Betrag der Stellkraft gegeben, der nun durch das elastische Element wirkt. Dennoch werden Relativbewegungen zwischen den Übertragungselementen, beispielsweise resultierend aus Ungleichmäßigkeiten der Verzahnungen der Zahnräder, infolge der elastischen Ausbildung des Elements ermöglicht, was ein Verklemmen, eine Blockade oder eine ähnliche Fehlfunktion der Übertragungseinrichtung sowie unzulässig hohe Verspannung und Kontaktkräfte vermeldet. Das elastische Element kann auch zu einer gewünschten und definierten Spielvergrößerung herangezogen werden, indem, vorzugsweise bei einem niedrigem Lastzustand des Getriebes oder bei im Wesentlichen lastfreiem Getriebe, ohne Aufbringen einer Anstellkraft die Fixierung gelöst wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dies vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:
1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer Stelleinrichtung zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, welche eine Spieleinstelleinrichtung umfasst, mittels welcher ein Spiel zwischen zwei Zahnrädern eines Getriebes einer Übertragungseinrichtung der Stelleinrichtung einstellbar ist; und
2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Stelleinrichtung gemäß 1.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Stelleinrichtung 10 zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine. Die Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Brennraum in Form eines Zylinders, in welchem ein Kolben translatorisch relativ zu dem Zylinder verschiebbar angeordnet ist. Der Kolben ist dabei über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine gelenkig gekoppelt, so dass translatorische Bewegungen des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umgewandet werden können.
Zur Kopplung des Kolbens mit dem Pleuel vorgesehen ist das Pleuel einerseits mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Ferner ist ein Hebelelement zur Kopplung des Kolbens mit der Kurbelwelle vorgesehen. Das Hebelelement ist dabei an einem Hubzapfen der Kurbelwelle relativ zu dem Hubzapfen drehbar gelagert. Ferner ist das Hebelelement einerseits gelenkig mit dem Pleuel verbunden. Andererseits ist das Hebelelement zumindest mittelbar mit einer Verstellwelle 12 der Stelleinrichtung 10 gekoppelt. Die Verstellwelle 12 der Stelleinrichtung 10 ist dabei einer Übertragungseinrichtung 14 der Stelleinrichtung 10 zugeordnet. Die Übertragungseinrichtung 14 dient dazu, zum Einstellen beziehungsweise Verstellen des Verdichtungsverhältnisses aufzuwendende Kräfte und/oder Drehmomente zu übertragen. Diese notwendigen Kräfte und/oder Drehmomente, welche im Folgenden als Stellkräfte oder Stellkraft bezeichnet werden, werden dabei von einem Motor der Stelleinrichtung 10 aufgewendet. Bei diesem Motor handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, welcher mit der Verstellwelle 12 zumindest mittelbar drehfest gekoppelt oder koppelbar ist. Ausgehend von dem Elektromotor werden die Stellkräfte in die Übertragungseinrichtung 14 eingeleitet und von dieser auf den Kolben in dem Zylinder übertragen.
Die Verstellwelle 12 ist dabei beispielsweise als Exzenterwelle ausgebildet und weist wenigstens einen exzentrischen Zapfen auf, mit welchem das Hebelelement andererseits gelenkig verbunden ist. Die Verstellwelle 12 ist dabei um eine Drehachse 17 relativ zu einem Bauteil, insbesondere einem Gehäuseteil, der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung 10 drehbar an diesem Bauteil gelagert. Daraus ist es ersichtlich, dass ein Drehen der Verstellwelle 12 um die Drehachse 17 ein Drehen des Hebelelements um den Hubzapfen bewirkt, woraus eine translatorische Bewegung des Kolbens in dem Zylinder relativ zu diesem resultiert. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis variabel eingestellt und an thermodynamische Erfordernisse der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine angepasst werden.
Die Übertragungseinrichtung 14 umfasst ein Getriebe 16, welches ein erstes Kegelzahnrad 18 und ein zweites Kegelzahnrad 20 umfasst. Die Kegelzahnräder 18 und 20 stehen über jeweilige Verzahnungen 22 miteinander im Eingriff. So können Drehmomente von dem als Ritzel fungierenden Kegelzahnrad 18 auf das Kegelzahnrad 20 übertragen werden. Das Kegelzahnrad 20 ist dabei drehfest mit der Verstellwelle 12 um die Drehachse 17 drehbar verbunden, so dass ein Antreiben, das heißt Drehen, des Kegelzahnrads 20 ein Drehen der Verstellwelle 12 bewirkt. Dies bedeutet, dass die Verstellwelle 12 als Abtriebswelle des Getriebes 16 fungiert.
Das Kegelzahnrad 18 des Getriebes 16 ist dabei an dem und/oder an einem weiteren Bauteil, insbesondere Gehäuseteil, der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine und/oder der Stelleinrichtung 10 um eine Drehachse 23 relativ zu diesem Bauteil drehbar gelagert. Dazu ist das Kegelzahnrad 18 beispielsweise mit einer in der 1 nicht gezeigten Lagerwelle drehfest verbunden.
Wie der 1 zu entnehmen ist, verlaufen die Drehachsen 23 und 17 der Kegelzahnräder 18 und 20 zumindest im Wesentlichen parallel zueinander. Wie anhand der 2 ersichtlich ist, kann auch vorgesehen sein, dass die Drehachsen 23 und 17 schräg oder windschief, insbesondere zumindest im Wesentlichen senkrecht, zueinander verlaufen. Dadurch wird ein Fluss der Stellkraft durch die Übertragungseinrichtung 14 abgelenkt und umgeleitet. Dadurch kann beispielsweise der Bauraumbedarf der Stelleinrichtung 10 in einem geringen Rahmen gehalten werden.
Die Stelleinrichtung 10 umfasst eine Spieleinstelleinrichtung 24, mittels welcher ein Spiel zwischen den Verzahnungen 22 der Kegelzahnräder 18 und 20 einstellbar ist. Dazu umfasst die Spieleinstelleinrichtung 24 ein in der 1 nicht gezeigtes Stellglied, insbesondere eine Feder, mittels welchem das Kegelzahnrad 18 relativ zum Kegelzahnrad 20 zumindest im Wesentlichen in axialer Richtung des Kegelzahnrads 18 gemäß einem Richtungspfeil 26 bewegbar ist. Dazu wird beispielsweise eine in der 1 durch Richtungspfeile 29 angedeutete, definierte Anstellkraft zumindest mittelbar in das Kegelzahnrad 18 eingeleitet.
Um das Spiel zwischen den Verzahnungen 22 zu reduzieren und beispielsweise ausgehend von einem ersten, relativ hohen Wert auf einen dazu geringeren, zweiten Wert einzustellen, wird das Zahnrad 18 mittels des Stellglieds der Spieleinstelleinrichtung 24 in eine durch die Richtungspfeile 29 angedeutete Richtung bewegt. Dies wird als Anstellen bezeichnet.
Wie der 1 zu entnehmen ist, umfasst die Spieleinstelleinrichtung 24 einen Anstellkörper 28, unter dessen Vermittlung eine durch die Richtungspfeile 29 angedeutete Anstellkraft zum Anstellen in das Kegelzahnrad 18 eingeleitet wird. Dem Kegelzahnrad 18 ist ferner ein Axiallager 30 der Spieleinstelleinrichtung 24 zugeordnet, unter Vermittlung dessen die Anstellkraft in das Kegelzahnrad 18 eingeleitet wird. Ferner ist in der 1 ein optionales Federelement 32 der Spieleinstelleinrichtung 24 dargestellt, unter dessen Vermittlung die Anstellkraft in das Kegelzahnrad 18 eingeleitet wird.
Bei der Spieleinstelleinrichtung 24 der Stelleinrichtung 10 ist dabei eine Funktionstrennung realisiert, bei welcher die Funktion des Einstellens des Spiels von der Funktion einer Fixierung einer Relativposition zwischen dem Kegelzahnrad 18 und dem Kegelzahnrad 20 getrennt ist.
Durch Einstellen des Spiels durch das Bewegen des Kegelzahnrads 18 relativ zum Kegelzahnrad 20 wird eine Relativposition der Kegelzahnräder 18 und 20 zueinander eingestellt. Zum Fixieren dieser Relativposition ist eine Fixiereinrichtung 34 der Spieleinstelleinrichtung 24 vorgesehen. Die Fixiereinrichtung 34 umfasst einen zumindest im Wesentlichen in radialer Richtung des Kegelzahnrads 18 gemäß einem Richtungspfeil 36 bewegbaren Fixierkörper 38, welcher durch eine Führung 40 in radialer Richtung geführt ist. Die Führung 40 schränkt dabei die Bewegungsfreiheit des Fixierkörpers 38 in axialer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 26 ein.
Zum Bewegen des Fixierkörpers 38 ist beispielsweise ein Stellglied der Fixiereinrichtung 34 vorgesehen, welches zum Fixieren der Relativposition der Kegelzahnräder 18 und 20 zueinander eine schaltbare und in der 1 durch einen Richtungspfeil 42 angedeutete Fixierkraft in den Fixierkörper 38 einleitet. Zum Fixieren der Relativposition wirkt der Fixierkörper 38 mit dem Anstellkörper 28 über jeweilige Fixierflächen 44 und 46 zusammen.
Die Fixierkraft kann dabei in Umfangsrichtung des Anstellkörpers 28 über dessen gesamten Umfang verteilt aufgebracht werden. Wie der 1 zu entnehmen ist, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Fixierkraft lediglich von einer Seite her auf den Anstellkörper 28 über dem Fixierkörper 38 aufgebracht wird. Dabei kann sich der Anstellkörper 28 auf einer weiteren, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite abstützen. In der 1 ist ein Bauteil 48 dargestellt, an welchem sich der Anstellkörper 28 abstützen kann. Bei dem Bauteil 48 handelt es sich beispielsweise um ein Gehäuseteil der Stelleinrichtung 10, zu welchem sich der Anstellkörper 28 in axialer Richtung relativ bewegen kann.
Daraus ist es ersichtlich, dass zum Fixieren der Relativposition in radialer Richtung des Anstellkörpers 28 sowohl ein Kontakt zwischen dem Fixierkörper 38 und dem Anstellkörper 28 als auch zwischen dem Anstellkörper 28 und dem Bauteil 48 ausgebildet ist. Dadurch ist der Anstellkörper 28 relativ zu dem Bauteil 48 über jeweilige Fixierflächen 52 und 54 fixierbar. Um eine Relativbewegung der Kegelzahnräder 18 und 20 relativ zueinander relativ reibungsarm zu realisieren und um so das Spiel zwischen den Verzahnungen 22 vorteilhaft einstellen zu können, wird die schaltbare Fixierkraft aufgehoben. Aufgrund von Elastizitäten kann dabei vorgesehen sein, dass der Kontakt zwischen dem Fixierkörper 38 und dem Anstellkörper 28 und/oder zwischen dem Anstellkörper 28 und dem Bauteil 48 aufgehoben wird. Dies bedeutet, dass der Anstellkörper 28 zumindest in einem geringen Rahmen in relativer Richtung gemäß dem Richtungspfeil 36 bewegbar ist, um über diesen die Relativposition zu fixieren beziehungsweise diese Fixierung freizugeben.
Wie anhand der 1 ersichtlich ist, kann die Lagerwelle, über welche das Kegelzahnrad 18 um die Drehachse 23 drehbar gelagert ist, über eine Durchtrittsöffnung 50 durch den Anstellkörper 28 hindurchgeführt sein. Da dieser auch in radialer Richtung der Lagerwelle bewegbar ist, ist ein Radialspiel zwischen der Lagerwelle und dem Anstellkörper 28 beziehungsweise zwischen der Lagerwelle und die Durchtrittsöffnung 50 begrenzenden Wandungen des Anstellkörpers 28 vorgesehen, so dass es zu keiner Berührung zwischen der Lagerwelle und dem Anstellkörper 28 kommt.
Zur Darstellung einer besonders festen Fixierung der Relativposition über den Anstellkörper 28 kann wenigstens ein Reibbelag vorgesehen sein, welcher zwischen dem Anstellkörper 28 und dem Fixierkörper 38 beziehungsweise den Fixierflächen 44 und 46 und/oder zwischen dem Anstellkörper 28 und dem Bauteil 48 vorgesehen ist.
Die schaltbare Fixierkraft muss dabei vorteilhafterweise groß genug sein, um auf den Anstellkörper wirkende Axialkräfte über einen Reib- und/oder Formschluss an den jeweiligen Fixierflächen 44, 46, 52 und 54 abzustützen. Zu den Axialkräften kommt es dabei bei einem Betrieb der Stelleinrichtung 10 resultierend aus Verzahnungsgeometrien der Verzahnungen 22.
Die Fixierung der Relativposition kann stromlos aktiv oder stromlos deaktiviert ausgebildet sein. Im ersten Fall bedeutet dies, dass die Fixiereinrichtung 34 ohne mit Energie, insbesondere elektrischem Strom, versorgt zu werden, die Relativposition fixiert. Der zweite Fall bedeutet, dass zum Fixieren der Relativposition die Versorgung der Fixiereinrichtung 34 mit Energie, insbesondere mit elektrischem Strom, vonnöten ist.
Das optionale Federelement 32 weist beispielsweise eine definierte Nachgiebigkeit und/oder eine definierte Kraft-Weg-Kennlinie und eine definierte oder definierbare Steifigkeit auf. Ebenso können Nachgiebigkeiten zwischen den Fixierflächen 44, 46, 52 und 54 vorgesehen sein. Da die Anstellkraft wesentlich geringer sein kann als die Axialkräfte, welche axiale Reaktionskräfte aus den Verzahnungen 22 sind, ergibt sich im fixierten Zustand nur eine minimale statische Vorspannung durch den Betrag der Anstellkraft. Der Betrag wirkt nun durch das optionale Federelement 32. Trotzdem sind Axialbewegungen resultierend aus Ungleichmäßigkeiten der Verzahnungen 22 über dem Umfang zumindest eines der Kegelzahnräder 18 und/oder 20 dadurch ermöglicht, was eine Blockade des Betriebs 16 und/oder unzulässige Verspannungen und Kontaktkräfte verhindert.
Bezugszeichenliste

10: Stelleinrichtung
12: Verstellwelle
14: Übertragungseinrichtung
16: Getriebe
17: Drehachse
18: Kegelzahnrad
20: Kegelzahnrad
22: Verzahnung
23: Drehachse
24: Spieleinstelleinrichtung
26: Richtungspfeil
28: Anstellkörper
29: Richtungspfeil
30: Axiallager
32: Optionales Federelement
34: Fixiereinrichtung
36: Richtungspfeil
38: Fixierkörper
40: Führung
42: Richtungspfeil
44: Fixierfläche
46: Fixierfläche
48: Bauteil
50: Durchtrittsöffnung
52: Fixierfläche
54: Fixierfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19525831 A1 [0002]
EP 1307642 B1 [0003]

Claims

Stelleinrichtung (10) zum variablen Einstellen wenigstens eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einer Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einer Übertragungseinrichtung (14), über welche das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Spieleinstelleinrichtung (24) mit wenigstens einem Stellglied vorgesehen ist, mittels welchem ein Spiel der Übertragungseinrichtung (14) durch Bewegen wenigstens eines ersten Übertragungselements (18) relativ zu mindestens einem zweiten, zumindest zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses mit dem ersten Übertragungselement (18) eine Wirkverbindung ausbildenden Übertragungselement (20) der Übertragungseinrichtung (14) einstellbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungselemente (18, 20) als Zahnräder (18, 20), insbesondere eines Getriebes (16), der Übertragungseinrichtung (14) ausgebildet sind, welche zum Ausbilden der Wirkverbindung über jeweiligen Verzahnungen (22) miteinander im Eingriff stehen.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Spiels der Achsabstand zwischen den Zahnrädern (18, 20) durch Bewegen wenigstens eines der Zahnräder (18, 20) relativ zu dem anderen Zahnrad (18, 20) einstellbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (18, 20) als Kegelzahnräder (18, 20) ausgebildet sind.
Stelleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des Spiels wenigstens eines der Zahnräder (18, 20) in dessen axialer Richtung (26) relativ zu dem anderen Zahnrad (18, 20) bewegbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spieleinstelleinrichtung (24) eine Fixiereinrichtung (34) umfasst, mittels welcher eine durch das Bewegen der Übertragungselemente (18, 20) eingestellte Relativposition dieser zueinander fixierbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Fixieren der Relativposition zumindest eines, insbesondere des ersten, der Übertragungselemente (18, 20) durch einen Reibschluss und/oder einen Formschluss relativ zu dem anderen, insbesondere dem zweiten, Übertragungselement (18, 20) fixierbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellkraft zum Einstellen des Spiels zumindest im Wesentlichen exzentrisch von dem Stellglied auf das erste Übertragungselement (18, 20) aufbringbar ist.
Stelleinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Element (32), insbesondere ein Federelement (32), vorgesehen ist, über welches eine Stellkraft zum Einstellen des Spiels von dem Stellglied auf das erste Übertragungselement (18, 20) aufbringbar ist.