DE19753358C2 - Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine sowie Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit einem hohlen Pleuelschaft, an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfenauge vorgese­ hen ist, sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

In Hochleistungskolbenmotoren eingesetzte Pleuelstangen müssen zum einen besonders leicht sein und zum anderen eine ausreichende Druck- und Zugsteifigkeit aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß zudem hohe Anforderungen an die Torsionssteifigkeit der Pleuelstange zu stellen sind, um einen unzulässigen Versatz des strukturierten Kolbenbodens zu den Ventil­ positionen im Zylinderkopf infolge zu großer Torsionsschwingungen zu vermeiden.

Aus der DE 37 08 760 A1 und der EP 0 411 763 B1 sind Pleuelstangen bekannt, deren Schäfte zur Erhöhung der Steifigkeit hohl ausgebildet sind. Diese Pleuelstangen werden jedoch durch Gießen bzw. Schmieden hergestellt und haben aufgrund ihrer großen Wand­ stärken erhebliche Gewichtsnachteile. Eine Verwendung in Hochleistungsmotoren kommt daher nicht in Betracht.

Aus der EP 0 598 664 A1 ist ein Pleuel sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, das aus zwei Teilen besteht, die mittels Festlegungselementen wie Schrau­ ben lösbar miteinander verbunden sind und so im Hinblick auf die Festigkeit, insbe­ sondere die Torsionssteifigkeit, Nachteile gegenüber einem geschlossenen Hohlprofil haben.

Die DE 40 19 270 A1 offenbart ein Verbindungselement, wie ein Pleuel, das zur Vermeidung von zusätzlichen Schweißarbeiten nicht aus Blechformteilen, sondern aus einem Rohr mit ausreichend großer Wandstärke besteht, um jeweils stirnseitig die Lageraugen durch Abplatten des Rohrs ausbilden zu können. Das Rohr kann aus Werkstoffen wie Aluminium, Kupfer, Titan oder Eisen bestehen.

Aus der DD 146 483 ist eine Pleuelstange aus Blech bekannt, deren zwei Blechteile durch Schweißen miteinander verbunden werden, wobei an den stirnseitigen Pleuel­ lagerstellen Rohrhülsen eingepreßt und durch Hochtemperaturschutzgaslöten ver­ bunden werden können.

Ferner offenbart die DE 30 06 240 A1 ein Pleuel, das für die Massenfertigung ko­ stengünstig durch Stanzen zweier Pleuelhälften und anschließendem Verbinden durch Schweißen, Verschrauben oder dgl. hergestellt wird.

Aus dem DE-Buch: Dilthey U. "Schweißtechnische Fertigungsverfahren", Band 1, 2. Auflage, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1994, S. 239 bis 241 ist bekannt, daß Titan diffusionsgeschweißt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pleuelstange der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, die für den Einsatz in Hochleistungskolbenmotoren extrem leicht und möglichst torsionssteif ist. Zudem sollen Verfahren zur Herstellung einer solchen Pleuel­ stange geschaffen werden.

Die die Pleuelstange betreffende Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Ausbildung aus zwei dünnwandigen, aus einer Titanlegierung bestehenden Profil­ hälften, die entlang einer im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange verlaufenden Verbindungsnaht unter Bildung eines geschlossenen Hohlraums in dem Pleuelschaft durch Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten mitein­ ander verbunden sind.

Der Vorteil einer solchen Pleuelstange liegt darin, daß der Pleuelschaft durch sein geschlos­ senes Profil torsionssteif ausgebildet ist und gleichzeitig eine minimale Wandstärke bzw. Querschnittsfläche aufweist. Durch den Einsatz einer Titanlegierung als Werkstoff lassen sich dünne Wandstärken und somit Gewichtseinsparungen und gleichzeitig große Festig­ keiten auch bei hohen Temperaturen realisieren. Der Querschnitt des hohlen Pleuelschafts kann je nach Anwendungsfall kreis- oder ellipsenförmig oder auch quadratisch oder rechtec­ kig ausgebildet sein.

Die Profilhälften sind bevorzugt durch Diffusionsschweißen oder alternativ durch Diffusions­ löten miteinander verbunden. Auf diese Weise läßt sich aus den Profilhälften trotz ihrer dün­ nen Wandstärken ein geschlossenes Hohlprofil ohne Festigkeitseinbußen für die Pleuelstan­ ge herstellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Profilhälften im wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet, wobei sie zur Bildung der Pleuelstange spiegelbildlich zueinander angeordnet werden und die Verbindungsnaht bevorzugt in Längsrichtung in der Symmetrieebene der Pleuelstange liegt.

Bevorzugt weisen den Hohlraum bildende Innenkonturen der Profilhälften dünnwandige Aus­ steifungen auf, um die Steifigkeit der Pleuelstange weiter zu erhöhen.

Um Schwingungen der Pleuelstange und auch der Kurbelwelle zu dämpfen, ist der Hohlraum bevorzugt mit einem schwingungsdämpfenden Medium, wie z. B. Metallschaum, insbesonde­ re Leichtmetallschaum, gefüllt.

Höchst bevorzugt besteht die Pleuelstange aus einer hochtemperaturfesten Titanlegierung, wie z. B. Ti 685, sodaß Kriechverformungen in den an den gegenüberliegenden Enden des Pleuelschafts vorgesehenen Drehzapfenaugen vermieden werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange ist erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei dünnwandige Profilhälften aus einer Titanlegierung bereitgestellt werden, in den Profilhälften jeweils eine einen Teil eines Hohlraums in dem Pleuelschaft bildende Innenkontur fertig, d. h. in ihrer endgültigen Form, ausgebildet wird und die Profilhälften spie­ gelbildlich zueinander angeordnet und unter Bildung des geschlossenen Hohlraums in dem Pleuelschaft durch Diffusionschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden spiegelbildlich und ansonsten im wesentlichen identisch ausgebildete Profilhälften so verbunden, daß die Verbindungsnaht zwischen den beiden Profilhälften in Längsrichtung in der Symmetrieebene der Pleuelstange liegt. Der Vorteil der Verbindung/Fügung in der Längsrichtung der Pleuelstange und somit in Richtung der Hauptbeanspruchungen in Zug- und Druckrichtung liegt darin, daß die Pleuelstange nicht geschwächt wird. Aus diesem Grund sind auch die verhältnismäßig massiven Querschnitte zum Kolbenbolzenauge und zum Kurbelwellen-Lageauge direkt mit dem Pleuelschaft ohne Verbindungsnaht ausgebildet.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwei Profilhälften aus einer Titanlegierung unter Bildung einer entlang einer Verbindungsnaht verlaufenden, inneren (Trenn-)Fuge durch Diffusionschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden, die so ver­ bundenen, noch nicht ihre endgültige Gestalt/Ausbildung aufweisenden Profilhälften in eine Form eingebracht werden und die Außenkonturen der Profilhälften jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese nach dem Aufblasen der inneren (Trenn-)Fuge bei hohen Temperaturen an die Form anschmiegen und der Hohlraum in dem Pleuelschaft ebenso wie die Profilhälf­ ten die vorgesehene bzw. gewünschte Form annehmen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Pleuelstange und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht auf die Pleuelstange aus Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Pleuelstange mit einem Pleuelschaft 2, an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfenauge vorgesehen ist, und zwar einerseits ein Kolbenbolzenauge 3 und andererseits ein Kurbelwellen-Lagerauge 4. Die Pleuelstange 1 ist für den Einsatz in einem Hochleistungskolbenmotor, z. B. im Rennsport vorgesehen, und besteht aus einer hochwarmfesten Titanlegierung (z. B. Ti 685).

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besteht die Pleuelstange 1 aus zwei Profilhälften 5 und 6, die entlang einer geschlossenen bzw. umlaufenden Füge- bzw. Verbindungsnaht 7 durch Diffu­ sionsschweißen od. dgl. unter Bildung eines Hohlraums 8 in dem Pleuelschaft 2 starr mitein­ ander verbunden sind. Der Hohlraum 8 wird durch die Innenkonturen 9, 9' der beiden Profil­ hälften 5, 6 begrenzt. Die Fügeebene bzw. umlaufende Verbindungsnaht 7 liegt in Richtung der Hauptbeanspruchungen in Zug- und Druckrichtung, d. h. in einer Ebene in Längsrichtung L der Pleuelstange 1, um die Pleuelstange 1 nicht zu schwächen. Aus diesem Grund sind auch das Kolbenbolzenauge 3 und das Kurbelwellen-Lagerauge 4 mit ihren verhältnismäßig dicken Querschnittsflächen einstückig, d. h. ohne Fügenaht, mit dem Pleuelschaft 2 ausgebil­ det. Zudem fällt die Fügeebene 7 mit der Symmetrieebene der Pleuelstange 1 zusammen, so daß die beiden Profilhälften 5 und 6 spiegelbildlich und ansonsten im wesentlichen identisch geformt sein können.

Die Querschnittsfläche der Pleuelstange 1 kann, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, unterschiedlich ausgebildet sein, z. B. kreis- oder ellipsenförmig, quadratisch oder rechteckig, wobei jedoch der Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 stets vorhanden ist.

Bei einem ersten Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange 1 aus Fig. 1 und 2 werden zu­ nächst die beiden Profilhälften 5 und 6 mit ihren den Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 bil­ denden Innenkonturen und 9 und 9' separat in ihrer endgültigen Form hergestellt. Dabei werden die massiven Querschnitte zum Kolbenbolzenauge 3 und zum Kurbelwellen- Lagerauge 4 zur Erzielung optimaler Festigkeiten einstückig, d. h. ohne Fügung bzw. Verbin­ dungsnaht, mit dem Pleuelschaft 2, der im Vergleich sehr dünne Wandstärken aufweist, ausgebildet. Die beiden bereits fertig ausgebildet vorliegenden Profilhälften 5 und 6 werden spiegelbildlich zueinander angeordnet, so daß ihre Innenkonturen 9 und 9' einander zuge­ wandt sind, und mittels Diffusionsschweißen od. dgl. starr miteinander verbunden. Nach der Fügung der beiden Profilhälften 5 und 6 wird ein geschlossener Hohlraum 8 in dem Pleuel­ schaft 2 von den Innenkonturen 9 und 9' der beiden Profilhälften 5 und 6 gebildet. Zur weite­ ren Verbesserung der Steifigkeit können Aussteifungen 11 in den Innenkonturen 9 und 9' der Profilhälften 5 und 6 bspw. durch spanabhebendes Bearbeiten, wie fräsen, ausgebildet wer­ den.

Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange 1 werden zunächst die Profilhälften 5 und 6, deren Innenkonturen 9 und 9' noch nicht die endgültige Gestalt aufwei­ sen, durch Diffusionsschweißen od. dgl. miteinander verbunden. Dabei wird zwischen den beiden Profilhälften 5 und 6 und innerhalb der geschlossenen bzw. umlaufenden Verbin­ dungsnaht 7 eine innere Trennfuge vorgesehen, aus der später der Hohlraum 8 mit den In­ nenkonturen 9 und 9' der Profilhälften 5 und 6 gebildet wird.

Dazu werden die beiden Profilhälften 5, 6 in eine Form eingebracht, wobei ihre Außenkontu­ ren 10 und 10' jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese bei bzw. nach dem Aufblasen der inneren Trennfuge bei hohen Temperaturen durch Kriechumformen an die Form anschmie­ gen und sich der Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 unter Aufweitung der Trennfuge bildet. Erst nach dem Aufweiten haben die beiden Profilhälften 5, 6 ebenso wie der Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 ihre endgültige Gestalt. Auch bei dieser Verfahrensart können dünnwan­ dige Aussteifungen zur Verbesserung der Torsionssteifigkeit der Pleuelstange 1 durch eine Art Faltmechanismus an den Innenkonturen 9 und 9' der Profilhälften 5, 6 vorgesehen wer­ den.

Claims (9)

1. Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit einem hohlen Pleuelschaft (2), an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfenauge (3, 4) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Ausbildung aus zwei dünnwandigen, aus einer Ti­ tanlegierung bestehenden Profilhälften (5, 6), die entlang einer im wesentlichen in Längsrichtung (L) der Pleuelstange (1) verlaufenden Verbindungsnaht (7) unter Bildung eines geschlossenen Hohlraums (8) in den Pleuelschaft (2) durch Diffusi­ onsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden sind.

2. Pleuelstange nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhälften (5, 6) im wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet sind und die Verbindungsnaht (7) in Längsrichtung (L) in der Symmetrieebene der Pleuelstange (1) liegt.

3. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Hohl­ raum (8) bildende Innenkonturen (9, 9') der Profilhälften (5, 6) dünnwandige Aus­ steifungen (11) aufweisen.

4. Pleuelstange nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hohlraum (8) mit einem schwingungsdämpfenden Medium wie Metallschaum, gefüllt ist.

5. Pleuelstange nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Profilhälften (5, 6) aus einer hochtemperaturfesten Titanle­ gierung, wie Ti 685, bestehen.

6. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, die einen hohlen Pleuelschaft (2) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Ende je­ weils ein Drehzapfenauge (3, 4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dünnwandige Profilhälften (5, 6) aus einer Titanlegierung bereitgestellt werden, in den Profilhälften (5, 6) jeweils eine einen Hohlraum (8) in den Pleuelschaft (2) bil­ dende Innenkontur (9, 9') fertig ausgebildet wird und die Profilhälften (5, 6) spie­ gelbildlich zueinander angeordnet und unter Bildung des geschlossenen Hohl­ raums (8) durch Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussteifung (11) in den Innenkonturen (9, 9') der Profilhälften (5, 6) durch spanabhebendes Bearbeiten ausgebildet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhälften (5, 6) im wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet werden und die Verbindungsnaht (7) in Längsrichtung (L) in der Symmetrieebene der Pleuelstange (1) vorgesehen wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, die einen hohlen Pleuelschaft (2) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Enden je­ weils ein Drehzapfenauge (3, 4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Profilhälften (5, 6) aus einer Titanlegierung unter Bildung entlang einer Verbin­ dungsnaht (7) verlaufenden, inneren Trennfuge durch Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden, die so verbundenen Profilhälften (5, 6) in eine Form eingebracht werden und die Außenkonturen (10, 10') der Profil­ hälften (5, 6) jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese nach Aufblasen der inne­ ren Trennfuge bei hohen Temperaturen an die Form anschmiegen und der Hohl­ raum (8) in dem Pleuelschaft (2) die vorgesehene Ausbildung annimmt.