DE4042230A1 - Pleuel, aus mehreren teilen schraubenlos zusammengesetzt, vorzugsweise fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Pleuel dienen bei Kolben- Kraft- und Arbeitsmaschinen dazu, die oszillierende Linearbewegung des Kolbens in eine gleichförmige Wellendrehbewegung umzusetzen.

Es ist eine besondere Bauart von Brennkraftmaschinen bekannt, bei welcher zur Durchführung eines Arbeitszyklus zwei Arbeitshubräume mit zwei phasenversetzt wirkenden Arbeitskolben verwendet werden. Zur Erzeugung der phasenversetzten Kolbenbewegung sind besondere Getriebekonstruktionen vorgeschlagen. In der Patentanmeldung P 40 21 931 sind die beiden Arbeitskolben konzentrisch angeordnet; die Kurbelwelle liegt zentral und weist drei Hubzapfen auf, der Pleuelhub liegt quer und symmetrisch zur Zylinderachse, zur Um­ setzung des Pleuelhubes in einen zylinderachsparallelen Kolbenhub sind symmetrisch zur Zylinderachse Hublenker vorgesehen. Dieses Getriebesystem ist für die thermodynamische Wirkung vorteilhaft, erfordert aber für alle Getriebeteile besonders raumsparende Kon­ struktionen. Der wesentliche Unterschied gegenüber konventionellen Motorbauarten besteht darin, daß die Pleuel durch die Kolbengas­ kräfte auf Zug beansprucht werden und daß die Pleuel relativ kurz sind, das Verhältnis Pleuellänge/Hubzapfendurchmesser (ΔL/d1) liegt in der Größenordnung 1,6 bis 2,0.

Bei den konventionellen Ausführungen von Pleuelstangen ist der große Lagerkopf quergeteilt und verschraubt. Diese Konstruktion ist für den angegebenen Verwendungszweck ungünstig: Infolge der über­ wiegenden Zugbelastung entstehen im Bereich des verschraubten Pleuelkopfes kritische Beanspruchungszonen, die Dauerfestigkeit ist relativ zur eingesetzten Werkstoffmasse gering, es können wegen der erforderlichen Bearbeitung keine hochfesten Werkstoffe verwendet werden, es müßten für eine Zylindereinheit sechs Pleuelschrauben angezogen werden, wodurch eine Montage-Fehlerquelle vorgegeben ist. Nach dem Stand der Technik sind Vorschläge bekannt, wonach Pleuel­ stangen für Verbrennungsmotoren aus mehreren Komponenten schrauben­ los zusammengebaut werden. Nach einem Beispiel gemäß der Veröffent­ lichung MTZ 1985/5, S.159, 160 wird ein Pleuel aus einer Zugschlau­ fe, einem Druckstab, einem geschlossenen kleinen Pleuelkopf und einer großen Kopfhalbschale zusammengesetzt. Die Zugschlaufe und der Druckstab bestehen aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff. Die Komponenten werden an der Kurbelwelle zusammengesetzt und durch Einpressen von Harzmasse am großen Pleuelkopf verspannt. Dieses Konzept ist offensichtlich dazu ausgelegt, für Kohlefaser-Verbund­ werkstoffe ein Anwendungsgebiet zu erschließen und ist auf den Einsatz der relativ teuren Kohlefaser angewiesen. Die Festigkeits­ auslegung bezieht sich dabei auf konventionelle Verbrennungsmotoren mit überwiegender Druckbelastung des Pleuels. Die dabei erzielbaren Vorteile sind für den der Erfindung zugrundegelegten Anwendungs­ bereich nicht ausschlaggebend. Nachteilig ist dabei außerdem, daß der Verbundwerkstoff mit Rücksicht auf die Harzmatrix bei Tempera­ turen über 100°C nicht mehr funktionssicher einsetzbar ist und daß die vorgeschlagene Verspannung keine sicher definierbare Ver­ teilung der Vorspannlasten gestattet.

Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, unter Berücksichti­ gung der konstruktiven Gegebenheiten, welche aus der Patentanmel­ dung P 40 21 931 hervorgehen, ein Pleuel zu entwickeln, welches unter Ausnutzung der Eigenschaften hochfester metallischer Werk­ stoffe eine optimale Zug-Dauerfestigkeit bei möglichst geringer Masse und kleinstem Raumanspruch aufweist. Bei der Gestaltung der Komponenten muß die Ausnutzung wirtschaftlichster Fertigungsverfah­ ren und ein absolut sicherer Montageablauf angestrebt werden.

Die Lösung der Aufgabe geht aus den Patentansprüchen hervor.

In den Zeichnungen Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 ist eine Pleuelausfüh­ rung gemäß der Erfindung in betriebsfertig zusammengesetztem Zu­ stand dargestellt.

Für eine Brennkraftmaschine mit zwei thermodynamisch gekoppelten Arbeitsräumen und zwei phasenversetzt zusammenwirkenden Arbeitskol­ ben bietet ein Hublenkergetriebe gemäß Patentanmeldung P 40 21 931 bezüglich der Arbeitsprozeßauslegung weitreichende Vorteile, erfor­ dert aber gegenüber einem konventionellen Kurbeltrieb einen größe­ ren Arbeitsraum. Bei einer Auslegung des Hublenkergetriebes mit kleinstmöglichen Hauptmaßen ist nicht zu vermeiden, daß sich die Bewegungsbahnen von Hublenkern und Pleueln überschneiden. Um den Raumbedarf in Richtung Kurbelwellenachse einzuschränken, muß eine sehr flache Bauform insbesondere der Pleuel angestrebt werden.

Diese Forderung beinhaltet gleichzeitig den Zwang nach optimaler Werkstoffausnutzung, wobei berücksichtigt werden muß, daß diese Pleuel durch die Kolben-Gaskräfte zugbelastet sind.

Eine optimale Betriebsfestigkeit des Pleuels erhält man in bekann­ ter Weise durch eine innere Verspannung. Dabei werden die Teile, welche durch die Betriebslast auf Zug beansprucht sind, auf Zug vorgespannt, es wird das Verspannungsprinzip einer Schraubenverbin­ dung angewendet.

Beim Pleuel gemäß der Erfindung besteht der geschlossene Zugrahmen aus den biegesteifen Kopfbrücken 1, 2 und den Zuggurten 3, er ist in Pleuel-Längsrichtung nur Zug-belastbar. Die Biegesteifigkeit der Kopfbrücken 1, 2 in Rahmenebene ist notwendig, damit die Pleuel­ lager 4, 6 durch die Spann- und Betriebslasten nicht deformiert werden. Als Pleuellager sind in den Zugrahmen am kleinen Pleuel­ kopf eine umdrehungssymmetrische Lagerbüchse 6 und am großen Pleu­ elkopf eine Halbkreis-Lagerschale 4 eingesetzt. Zur Übertragung von Druckkraft zwischen den Pleuellagern sind zwei Druckstützen 7 in symmetrischer Anordnung vorgesehen; gegen die Lagerbüchse 6 ist die Druckfläche P6 in Form einer Kreiskehle der Mantelform der Lagerbüchse 6 angepaßt; gegen die Lagerschale 4 sind ebene Stirn­ druckflächen P4 ausgebildet. Die Drucklagerschale 5 ist nur mit axialer Fixierung schwimmend in die Halbkreisaussparung der Druck­ stützen 7 eingesetzt; sie wird nicht durch die innere Vorspannlast beansprucht.

Die innere Vorspannlast wird dadurch erzeugt, daß der Lagermitten­ abstand L_z des Zugrahmens um einen definierten Betrag 41 kleiner hergestellt wird als der Lagermittenabstand L_d der Druckstützen. In Fig. 4a und Fig. 4b ist vergrößert dargestellt, wie die Ver­ spannung zwischen Zugrahmen und Druckstützen durch die Exzenter­ wirkung der Lagerbüchse 6 aufgebracht wird. Die Exzentrizität e ist dabei relativ vergrößert eingetragen, sie beträgt reell je nach Werkstoffeigenschaft ca. 0,2 bis 0,4% des Lagermittenabstan­ des L. An den Stirnseiten der Lagerbüchse 6 sind Formprofile 6c angebracht für den Ansatz eines Spannwerkzeuges. Im gezeichneten Beispiel ist eine Kreiskerbe in der Radialachse der Exzentrizität vorgesehen, womit gleichzeitig deren Stellung markiert wird. Beim Verspannen des Pleuels durch Drehen der Lagerbüchse 6 um 180° wird der Zugrahmen um den Betrag ΔL_z gedehnt, die Druckstützen wer­ den um den Betrag ΔL_d gestaucht. Die Verlängerung des Lagermitten­ abstandes L_z muß bei der Maßfestlegung berücksichtigt werden.

Wird das verspannte Pleuel durch eine äußere Zugkraft belastet, dann wird die in den Zuggurten 3 erzeugte Zugspannungsüberlagerung umso kleiner sein, je größer das Verhältnis ΔL_z/ΔL_dd ist.

Die Druckstützen 7 werden mittels einer Sicherungshülse 8 axial zusammengehalten. Diese kann als Hülsenniet oder als Hülsenfeder mit angebogenen Stirnlappen ausgebildet sein.

Bei der Konstruktion der Einzelteile ist berücksichtigt, daß die Komplettierung nur an der Kurbelwelle erfolgen kann. Die Ausspa­ rung im Pleuelzugrahmen 1, 2, 3 ist so bemessen, daß dieser mit ein­ gesetzter Zuglagerschale 4 über die Wellenzapfen und Wangen der Kurbelwelle gezogen werden kann. Für die Montage der Pleuel ist folgender Arbeitsablauf vorgesehen: Alle Pleuelzugrahmen werden mit eingesetzter Zuglagerschale über die Kurbelwelle auf die zu­ geordneten Hubzapfen aufgezogen. Danach werden die Pleuel nachei­ nander fertigmontiert; es werden dann die Drucklagerschale 5, die Lagerbüchse 6 und die Druckstützen 7 eingesetzt, dabei muß die Exzentrizität e in der Position "nichtgespannt", Fig. 4a, einge­ stellt sein; durch Verdrehen der Lagerbüchse 6 um 180° mittels Werkzeug wird das Pleuel "gespannt", Position Fig. 4b; zuletzt wird die Sicherungshülse 8 eingesetzt.

Als Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Lagerbüchse 6 gegen Verdrehen zu sichern. Dazu wird auf jeder Seite ein Siche­ rungsblech in die Anziehkerbe 6c eingerastet und mit der Siche­ rungshülse 8 befestigt.

Der Pleuelzugrahmen 1, 2, 3 ist das beanspruchungskritische Teil; er wird vorzugsweise aus Stahlblech hoher Festigkeit hergestellt und erfordert eine sorgfältige Gestaltung insbesondere der Innen­ kanten.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Pleuelzugrahmens darge­ stellt. Um spannungserhöhende Formeinflüsse weitgehend abzubauen, muß der Übergang vom biegeweichen Zuggurt 3 zu den biegesteifen Kopfbrücken 1, 2 mit weichem Übergang erfolgen. Die gerade Innen­ kante der Zuggurte ist gegenüber den Kopfkehlkreisen rk1 und rk2 um einen kleinen Betrag ht nach außen abgesetzt und schließt mit einer Übergangsrundung an jeden Kopfkehlkreis an.

Zur Massereduzierung sind in den Flächen der Kopfbrücken Ausspa­ rungen 1a, 2a vorgesehen.

Die Außenkante der Zuggurte ist schwach nach außen gekrümmt, so daß die Gurtbreite b3 in der Mitte um ca. 10% größer ist als die Gurtbreite b1, b2 am Übergang zu den Kopfbrücken. Für Pleuel größerer Abmessung wird vorgeschlagen, den Zugrahmen aus mehreren Rahmenlamellen zu schichten.

Die aus Gas- und Massenkräften auf das Pleuel wirkende Druckbela­ stung ist wesentlich kleiner als die Zugbelastung. Deshalb kann die Drucklagerschale 5 mit einer kleineren hydrodynamisch tragen­ den Fläche ausgeführt werden. Es ist vorgesehen, daß am Rand der Lagerlauffläche je eine Umfangsnut 5a als Ölspeicher eingearbeitet sind, dargestellt im Schnitt B-B, Fig. 3b.

Technischer Fortschritt

Mit den Mitteln der Erfindung wird gegenüber dem Stand der Technik unter Berücksichtigung des speziellen Anwendungsbereiches der Vor­ teil erreicht, daß für die zugbeanspruchten Teile metallische Werk­ stoffe hoher Zugfestigkeit eingesetzt werden können und daß die Komplettierung an der Kurbelwelle mit geringstem Zeitaufwand und mit einem Höchstmaß an Sicherheit durchführbar ist.

Durch die Plangestalt der Zugrahmen und Druckstützen wird ermög­ licht, daß diese Teile z. B. mittels Laser-Schneidverfahren aus be­ reits fertigvergütetem Stahlblech, und zwar mehrere Teile gleich­ zeitig aus einem Blechpaket, ohne Nachbehandlung geschnitten werden können. Die zusammen im Paket bearbeiteten Teile sind dann unter­ einander absolut maßgenau.

Claims (5)

1. Pleuel, aus mehreren Teilen schraubenlos zusammengesetzt, vorzugsweise für eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanmeldung P 40 21 931, wobei ein geschlossener Zugrahmen vorgesehen ist, wel­ cher den großen und den kleinen Lagerkopf und ein Druckelement zwischen diesen beiden Lagerköpfen einschließt und wobei Mittel eingesetzt sind, womit diese Pleuelteile gegeneinander verspannt werden können, gekennzeichnet durch die Merkmale

• a) der Pleuelzugrahmen, welcher den großen und den kleinen Lager­ kopf einschließt, ist aus einer Metallplatine einteilig hergestellt und besteht aus den biegesteifen Kopfbrücken (1, 2) und zwei Zug­ gurten (3), wobei am großen Pleuelkopf eine Halbkreisschale als Zuglagerschale (4) und am kleinen Pleuelkopf eine umdrehungssymme­ trische Lagerbüchse (6) formschlüssig eingesetzt sind,
• b) als Elemente zur Druckkraftübertragung sind symmetrisch zur Zugrahmenebene zwei Druckstützen (7) vorgesehen, welche am großen Pleuelkopf je mit zwei ebenen Paßflächen (P4) an den Stirnflächen der Zuglagerschale (4) und am kleinen Pleuelkopf mit einer Halb­ kreispaßfläche (P6) an der Lagerbüchse (6) abgestützt sind,
• c) Formelemente zu dem Zweck, im Zugrahmen (1, 2, 3) eine Zugvor­ spannung und in den Druckstützen (7) eine Druckvorspannung zu er­ zeugen, sind am kleinen Pleuelkopf an der Lagerbüchse (6) vorge­ sehen,
• d) am großen Pleuelkopf ist eine Drucklagerschale (5) zur Abstüt­ zung der äußeren Betriebsdruckkräfte auf die Kurbelwelle in einer Halbkreisaussparung der Druckstütze (7) schwimmend eingesetzt und formschlüssig fixiert.

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Innenseiten der biegesteifen Kopfbrücken (1, 2) kreisrunde Brücken­ kehlen (rk1, rk2) zur Abstützung und Fixierung der Zuglagerschale (4) und der Lagerbüchse (6) ausgespart sind, wobei der tragende Bogenwinkel dieser Brückenkehlen kleiner ist als 180° und daß die Innenkanten der Zuggurte (3) gegenüber den Kreisbögen der Brücken­ kehlen um einen kleinen Betrag (ht) radial abgesetzt sind.

3. Pleuel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbüchse (6) eine Umfangsnut (6a) aufweist zur form­ schlüssigen Fixierung in der Brückenkehle (rk2) des Zugrahmens und daß diese Umfangsnut gegenüber den angrenzenden Stützbunden (6b), auf welchen die Paßflächen (P6) der Druckstützen (7) radial auf­ liegen, um die Exzentrizität (e) versetzt ist, wobei eine Verspan­ nung von Zugrahmen und Druckstützen durch eine 180°-Drehung der Lagerbüchse erzeugt wird.

4. Pleuel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im nichtverspannten Zustand der Lagermittenabstand (L_z) des Zugrahmens (1, 2, 3) um den Formänderungsbetrag (ΔL) kleiner ist als der Lagermittenabstand (L_d) der Druckstützen (7).

5. Pleuel nach Anspruch 1, 2 und 4 mit Formelementen zur Erzeugung einer inneren Verspannung an der Lagerbüchse (6), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umfangsnut (6a) und die anliegenden Stützbunde (6b) konzentrisch zueinander liegen und die Mantelflächen der Stützbunde (6b) zu jeder Stirnseite hin konisch ausgebildet sind, wobei die Verspannung durch axiales Aufpressen der Druckstützen (7) erzeugt wird.