DE10018064A1

DE10018064A1 - Pleuel

Info

Publication number: DE10018064A1
Application number: DE10018064A
Authority: DE
Inventors: Ralf Jentsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-25

Abstract

Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem kleinen Pleuelauge (3) und einem mit diesem durch einen Pleuelschaft (7) verbundenen großen Pleuelauge (5). Dabei ist das Pleuel im Bereich des kleinen Pleuelauges (3) und des Pleuelschaftes (7) aus einem Werkstoff mit einem geringeren spezifischen Gewicht ausgebildet als im Bereich des großen Pleuelauges (5).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Pleuel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aus. Derartige Pleuel werden insbesondere in Brennkraftmaschinen als Schubstange zur Übertragung der alternierend in Zylinder-Achsrichtung hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle verwendet. Dabei weisen derartige, u. a. aus der Schrift DE 41 22 198 bekannte Pleuel zwei Pleuelaugen auf, mit denen das Pleuel an einem ersten Pleuelauge über einen Kolbenbolzen am Kolben und mit einem zweiten Pleuelauge auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die, die beiden Pleuelaugen umgebenden Bereiche sind dabei über einen Pleuelschaft miteinander verbunden. Das über einen Kolbenbolzen mit dem Kolben verbundene erste Pleuelauge bildet dabei ein sogenanntes kleines Pleuelauge, das über den Pleuelschaft mit einem sogenannten großen Pleuelauge verbunden ist, das seinerseits auf der Kurbelwelle gelagert ist. Da bei dem bekannten Pleuel der Schwerpunkt des Pleuels von seiner durch den Mittelpunkt des großen Pleuelauges gebildeten unteren Drehachse relativ weit entfernt ist, treten an dem bekannten Pleuel oszillierende Massen auf, die zu ungleichen Krafteinleitungen in die Pleuellagerungen führen und so die Lagerbelastung erhöhen. Darüber hinaus führen die oszillierenden Massen zu einem unerwünschten Vibrieren bzw. Schütteln des gesamten Brennkraftmaschinenaggregates.

Um diese störenden oszillierenden Massen möglichst gut auszugleichen schlägt die Schrift DE 41 22 198 vor, eine Gegenmasse am Pleuel vorzusehen, die an der dem Kolben abgewandten Seite des großen Pleuelauges angeordnet ist, wobei diese Gegenmasse im Abstand vom großen Pleuelauge über eine Pleuelgegenstange gehalten sein soll. Dieser bekannte Massenausgleich hat dabei jedoch den Nachteil, daß das Pleuel gegenüber seiner ursprünglichen Form sehr viel größer baut, wobei dieser zusätzliche benötigte Bauraum an modernen Brennkraftmaschinen nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus erhöht diese zusätzliche Ausgleichsmasse auch das Gesamtgewicht des Pleuels, was wiederum eine unerwünschte Gewichtszunahme der zu bewegenden Bauteile und des gesamten Brennkraftmaschinenaggregates zur Folge hat.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein bekanntes Pleuel derart weiter zu entwickeln, daß der Schwerpunkt des Pleuels zur Verringerung der oszillierenden Massen möglichst in die Drehachse der Kurbelwelle, bzw. den Mittelpunkt des großen Pleuelauges verschoben wird, ohne dabei den benötigten Bauraum oder das Pleuelgesamtgewicht zu vergrößern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Pleuel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat gegenüber den bekannten Pleuelausführungen den Vorteil, daß der Schwerpunkt des Pleuels in den Mittelpunkt des großen Pleuelauges, bzw. zumindest sehr nahe an diesen Mittelpunkt, verschiebbar ist, ohne dabei Bauraum und Gewicht des Pleuels zu vergrößern. Dieser Vorteil wird dabei erfindungsgemäß dadurch möglich, daß das Pleuel im Bereich des kleinen Pleuelauges und des Pleuelschaftes aus einem leichteren Werkstoff ausgebildet ist, als in seinem Bereich des großen Pleuelauges. Dabei ist es besonders vorteilhaft, bei den üblicherweise im Bereich des großen Pleuelauges geteilten Pleueln, den oberen, mit dem Pleuelschaft verbundenen Teil des großen Pleuelauges sowie Pleuelschaft und kleines Pleuelauge aus einem leichteren Werkstoff auszubilden als den unteren, dem kleinen Pleuelauge abgewandten Teil des großen Pleuelauges. Die in den Pleuelaugen angeordneten Lagerschalen können dabei vorzugsweise aus einem verschleißfesten Werkstoff gebildet sein, der entsprechend in den leichten Werkstoff eingebettet ist. Dabei kann dieser leichte Werkstoff des oberen Pleuelteiles aus einem Metall mit geringem spezifischen Gewicht, einem Metallschaum oder alternativ auch aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Der untere, schwere Pleuelteil ist demgegenüber aus einem Werkstoff mit relativ großem spezifischen Gewicht ausgebildet, z. B. einem Grauguß.

Es ist dabei auch möglich, daß das gesamte Pleuel aus einem einzigen Werkstoff besteht, wobei der obere Pleuelteil im Bereich des Schaftes und des kleinen Pleuelauges dadurch leichter ausgebildet ist, daß dort eine lockere Werkstoffstruktur, z. B. geschäumtes Material vorgesehen ist, während im unteren Pleuelbereich am großen Pleuelauge das Material als Vollmaterial ausgebildet ist. Dabei kann das Pleuel z. B. bei Verwendung von gebauten Kurbelwellen auch einstückig ausgebildet sein.

Eine weitere Möglichkeit der Gewichtsreduzierung des oberen Pleuelteiles wird durch einen sogenannten Sandwich-Aufbau erreicht, bei dem in einen hochfesten Werkstoffmantel am Pleuel in dessen Inneren sehr viel leichtere Materialien eingebettet sind. Dabei kann dieser im Gewicht leichtere Kern sich im wesentlichen über den Bereich des Pleuelschaftes erstrecken, es ist jedoch auch möglich ausgehend von der oberen Halbschale des großen Pleuelauges den gesamten oberen Pleuelteil aus diesem leichten Werkstoff auszubilden und seine Oberfläche entsprechend mit einem hochfesten Überzug zu versehen. Alternativ dazu könnte der Kern innerhalb des Pleuelschaftes aus einem leichten Werkstoff auch über eine vom großen Pleuelauge ausgehende Bohrung eingebracht werden. Eine weitere Möglichkeit zur Gewichtsreduzierung des oberen Pleuelteils ist durch die Verwendung eines Pleuelschaftes aus einem leichten Material gegeben, wobei an diesen leichten Pleuelschaft dann das obere Pleuelauge und das untere Pleuelauge entsprechend angebracht werden. Dabei kann diese Verbindung zwischen Pleuelschaft und Pleuelaugen wiederum über einen Stoffschluß, z. B. Verschweißen, einen Kraftschluß oder einen Formschluß erfolgen. Die Verbindung zwischen den Teilen des großen Pleuelauges erfolgt in vorteilhafter Weise über das bekannte Verschrauben dieser beiden Bauteile miteinander.

Alternativ zu der vorstehend beispielhaft genannten Werkstoffauswahl und Zusammensetzung, kann eine Verschiebung des Pleuelschwerpunktes in Richtung Mittelpunkt großes Pleuelauge auch durch eine geeignete Formgebung des Pleuels erreicht werden. Dazu sind im oberen Pleuelbereich entsprechende Materialverringerungen bzw. Ausnehmungen vorzusehen, wobei diese mit zunehmendem Abstand vom großen Pleuelauge, in ihrer Wirkung hinsichtlich eines Verschiebens des Pleuelschwerpunktes in Richtung Mittelachse des großen Pleuelauges, eine zunehmende Wirkung erzielen.

Besonders vorteilhaft ist es daher, neben Materialabtragungen oder Verringerungen am Pleuelschaft, vor allem im Bereich des kleinen Pleuelauges entsprechende Querschnittsverringerungen vorzusehen, wobei insbesondere im Endbereich des kleinen Pleuelauges Querschnittsverringerungen möglich sind.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung ist dabei das Verschieben des Schwerpunktes eines Pleuels in Richtung Mittelachse großes Pleuelauge, durch das Verringern seines Gewichtes im oberen Pleuelbereich (kleines Pleuelauge und Pleuelschaft) zu erreichen, um so oszillierende Massenkräfte möglichst vollständig auszuschließen. Dabei kann diese Verringerung des Gewichtes im oberen Pleuelbereich alternativ durch eine entsprechende Werkstoffauswahl und -anordnung des Pleuels, durch eine entsprechende Formgebung des Pleuels oder durch eine Kombination dieser Maßnahmen erreicht werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der folgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Sechs Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Pleuels sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pleuels, bei dem im Bereich des Pleuelschaftes ein Kern aus einem leichten Werkstoff vorgesehen ist, der sich bis in einen Bereich im großen Pleuelauge erstreckt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem der aus einem leichten Werkstoff gebildete Pleuelschaft als separates Teil ausgebildet ist,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem der aus einem leichten Werkstoff gebildete Kern im Pleuelschaft über eine vom großen Pleuelauge ausgehende Bohrung eingebracht wird,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem der gesamte obere Pleuelteil aus einem leichten Werkstoff ausgebildet ist, der mit einem hochfesten Überzug versehen ist und

Fig. 5 und 6 zwei Ausführungsbeispiele der Ausbildung des kleinen Pleuelauges.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Pleuels weisen sämtlich zumindest zwei sich im spezifischen Gewicht erheblich unterscheidende unterschiedliche Materialien auf, die derart am Pleuel angeordnet sind, daß sich der Schwerpunkt des Pleuels in Richtung Rotationsachse auf der Kurbelwelle verschiebt, wobei es über die genaue Anordnung und Auslegung der unterschiedlichen Materialien möglich ist, den Schwerpunkt des Pleuels exakt in seine Drehachse auf der Kurbelwelle zu verschieben, so daß sich der oszillierende Anteil am Pleuel vollständig auf Null reduzieren läßt.

Dabei zeigt die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pleuels, das vorzugsweise in eine Brennkraftmaschine zur Übertragung der translatorischen Kolbenhubbewegung in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle eingesetzt ist. Das Pleuel 1 weist an seinem einen Ende ein kleines Pleuelauge 3 und an seinem anderen, gegenüberliegenden Ende ein großes Pleuelauge 5 auf, wobei die Pleuelaugen 3 und 5 über einen Pleuelschaft 7 miteinander verbunden sind. Die Pleuelaugen 3 und 5 dienen dabei der Anlenkung, bzw. Befestigung des Pleuels zwischen einem nicht gezeigten Kolben einer Brennkraftmaschine und deren ebenfalls nicht näher dargestellten Kurbelwelle. Dabei nimmt das kleine Pleuelauge einen Kolbenbolzen auf, mit dem es mit dem Kolben verbunden ist, das große Pleuelauge 5 ist auf einem entsprechenden Hubzapfen der Kurbelwelle gelagert. Der Mittelpunkt M des großen Pleuelauges 5 bildet dabei die Rotationsachse der nicht näher dargestellten Kurbelwelle in diesem Bereich und zudem aufgrund der erfindungsgemäßen Auslegung des Pleuels den Schwerpunkt des gesamten Pleuels. Das Pleuel 1 ist dabei in bekannter Weise im Bereich des großen Pleuelauges 5 in einer die Achse durch den Mittelpunkt M des großen Pleuelauges 5 schneidenden Ebene geteilt ausgebildet, wobei ein oberer, dem kleinen Pleuelauge 3 zugewandter Teil einstückig mit dem Pleuelschaft 7 und dem kleinen Pleuelauge 3 ausgebildet ist. Ein dem kleinen Pleuelauge 3 abgewandter unterer Teil des geteilten großen Pleuelauges 5 bildet einen Lagerdeckel 9, der über entsprechende Durchgangsbohrungen 11 im Bereich des großen Pleuelauges 5 gegen den mit dem Pleuelschaft verbundenen oberen Teil des Pleuels 1 verschraubt ist. Dabei ist der Lagerdeckel 9 aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifischen Gewicht, z. B. einem Grauguß ausgebildet. Der obere Pleuelteil weist im Bereich des Pleuelschaftes 7 einen Kern 13 aus einem Werkstoff mit geringem spezifischen Gewicht, z. B. einem Metallschaum oder einem Kunststoff auf. Dieser Kern 13 erstreckt sich dabei vollständig durch den Bereich des Pleuelschaftes 7 bis in Höhe des kleinen Pleuelauges 3 und des großen Pleuelauges 5. Das Kernmaterial 13 wird dabei von einem zweiten Werkstoff ummantelt, wobei dieser Mantel 15 z. B. als Blechummantelung ausgebildet sein kann, wobei der Kern 13 trotz seines geringen spezifischen Gewichtes eine hohe Festigkeit, insbesondere gegenüber Zug/Druckkräften aufweist. Für die Gewährleistung einer möglichst hohen Lebensdauer und eines geringen Verschleißes sind des weiteren Lagerbuchsen 17 aus einem verschleißfesten Werkstoff in die Pleuelaugen 3 und 5 eingesetzt, vorzugsweise eingepreßt.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Kern 13 im oberen Bereich des Pleuels 1 auf den Schaftbereich 7 beschränkt und dort ebenfalls von einem Mantel 15 mit einer widerstandsfähigen Oberfläche umgeben. Dabei bildet der Pleuelschaft 7 im zweiten Ausführungsbeispiel einen separaten Teil des Pleuels 1 der entsprechend mit dem kleinen Pleuelauge 3 und dem Bereich des großen Pleuelauges 5 verbunden ist. Diese Verbindung kann dabei stoffschlüssig (z. B. Schweißen, Laserschweißen), formschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen. Dabei ist es alternativ z. B. auch möglich diese Verbindung als Schraubverbindung auszubilden. Auch hier ist es alternativ wieder möglich, das Pleuel 1 im Bereich des kleinen Pleuelauges 3 aus einem Leichtmetall herzustellen und die entsprechende Verschleißfestigkeit an den Lagerschalen durch das Einsetzen von Lagerbuchsen 17 zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es möglich auch den mit dem Pleuelschaft 7 verbundenen Teil des großen Pleuelauges 5 aus einem Leichtmetall zu fertigen.

Bei dem in der Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel wird der aus einem leichten Werkstoff bestehende Kern 13 im Bereich des Pleuelschaftes 7 in einfacher Weise über eine Sackbohrung 19 eingebracht. Dabei erstreckt sich die Sackbohrung 19 ausgehend vom großen Pleuelauge 5 bis in den Bereich des kleinen Pleuelauges 3 und durchragt dabei vollständig den Pleuelschaft 7.

Bei dem in der Fig. 4 dargestellten vierten Ausführungsbeispiel ist der gesamte obere, sich vom kleinen Pleuelauge 3 bis in die Teilungsebene des großen Pleuelauges 5 erstreckende Pleuelteil aus einem Werkstoff mit geringem spezifischen Gewicht ausgebildet. Dabei kann dieser Werkstoff durch einen Kunststoff oder einen Metallschaum gebildet sein, der mit einem Überzug 21 aus einem festen Werkstoff überzogen, vorzugsweise überspritzt ist, der den Kern vor äußeren mechanischen Einwirkungen schützt. Um den Verschleiß im Bereich der Pleuelaugen 3 und 5 gering zu halten sind wiederum entsprechende Lagerbuchsen 17 eingepreßt. Dabei ist es auch möglich, die Teile des großen Pleuelauges 5 miteinander zu verschrauben, alternativ kann der Überzug 21 auch das gesamte Pleuel 1 umschließen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Pleuel im Bereich des kleinen Pleuelauges 3 und des daran anschließenden Pleuelschaftes 7. Dabei weisen die Pleuel dort im Bereich der kleinen Pleuelaugen 3 Querschnittsverringerungen gegenüber einer üblichen Zylinderform auf, so daß im wesentlichen trapezförmige Pleuelköpfe gebildet sind.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Ausnehmungen dabei als gleichmäßig konisch verlaufende Verjüngungen 31 ausgebildet, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 diese Querschnittsverringerungen als gewölbte Flächen 33 ausgebildet sind.

Dabei sind hier alternativ auch sämtliche anderen Formen von Querschnittsverringerungen und Ausnehmungen möglich, die bei Beibehaltung einer ausreichenden Festigkeit, das Gewichtes des Pleuels in diesem Bereich reduzieren.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Pleuels ist es somit möglich, den obenliegenden Teil des Pleuels durch eine geeignete Werkstoffauswahl und Werkstoffanordnung so auszubilden, daß der Schwerpunkt des gesamten Pleuels in den Bereich des Mittelpunktes des großen Pleuelauges fällt.

Claims

1. Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem kleinen Pleuelauge (3) und einem mit diesem durch einen Pleuelschaft (7) verbundenen großen Pleuelauge (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) in einem oberen, sich vom kleinen Pleuelauge (3) über den Pleuelschaft (7) bis in einen, dem kleinen Pleuelauge zugewandten Teilbereich des großen Pleuelauges (5) erstreckenden Pleuelbereich zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit geringerem spezifischen Gewicht ausgebildet ist, als in einem unteren, dem kleinen Pleuelauge (3) abgewandten Pleuelbereich des großen Pleuelauges (5).

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel im Bereich des großen Pleuelauges (5), in einer den Mittelpunkt (M) des Pleuelauges (5) durchlaufenden und die Längsachse des Pleuels vorzugsweise rechtwinklig schneidenden Ebene geteilt ausgebildet ist, wobei ein oberer, mit dem Pleuelschaft (7) verbundener Pleuelaugenteil Bestandteil des oberen Pleuelbereiches ist und ein unterer, dem kleinen Pleuelauge (3) abgewandter Teil des großen Pleuelauges (5) den unteren, als Lagerdeckel ausgebildeten Pleuelbereich bildet.

3. Pleuel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des großen Pleuelauges (5) miteinander verschraubbar sind.

4. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit einem geringen spezifischen Gewicht im Bereich des kleinen Pleuelauges (3) und des Pleuelschaftes (7) zumindest teilweise aus einem Metallschaum gebildet ist.

5. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit dem geringen spezifischen Gewicht im Bereich des kleinen Pleuelauges (3) und des Pleuelschaftes (7) zumindest teilweise durch einen Kunststoff gebildet ist.

6. Pleuel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum nach außen von einem Mantel (15) mit einer verschleißfesten Oberfläche umgeben ist.

7. Pleuel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff nach außen von einem Mantel (15) mit einer verschleißfesten Oberfläche umgeben ist.

8. Pleuel nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Metallschaum oder der Kunststoff im Bereich des Pleuelschaftes (7) erstreckt und von einer Ummantelung, vorzugsweise aus einem Metall, umgeben ist.

9. Pleuel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuelschaft (7) mit den Pleuelaugen (3, 5) stoffschlüssig, vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung, verbunden ist.

10. Pleuel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pleuelschaft (7) mit den Pleuelaugen (3, 5) formschlüssig, vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung, verbunden ist.

11. Pleuel nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum oder Kunststoff in einer Sackbohrung (19) angeordnet ist, die sich ausgehend von der Wand des großen Pleuelauges (5), den Pleuelschaft (7) durchragend bis in den Bereich des kleinen Pleuelauges (3) erstreckt.

12. Pleuel nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte obere, das kleine Pleuelauge (3) und den Pleuelschaft (7) umfassende Pleuelteil aus einem Metallschaum oder Kunststoff gebildet ist, wobei das Pleuel zumindest im Bereich des Metallschaumes oder Kunststoffes vollständig mit einem verschleißfesten Material, vorzugsweise einem Metall, ummantelt ist.

13. Pleuel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterer, dem kleinen Pleuelauge (3) abgewandter Teil des großen Pleuelauges (5) einen Lagerdeckel (9) bildet, der aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifischen Gewicht, vorzugsweise einem Grauguß, ausgebildet ist.

14. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Pleuelaugen (3, 5) jeweils eine Lagerbuchse (17) eingesetzt ist, und daß das kleine Pleuelauge (3) einen Kolbenbolzen und das große Pleuelauge (5) die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine aufnimmt.

15. Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem kleinen Pleuelauge (3) und einem mit diesem durch einen Pleuelschaft (7) verbundenen großen Pleuelauge (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) in einem oberen, sich vom kleinen Pleuelauge (3) über den Pleuelschaft (7) bis in einen, dem kleinen Pleuelauge zugewandten Teilbereich des großen Pleuelauges (5) erstreckenden Pleuelbereich zumindest teilweise eine Werkstoffstruktur mit geringerer Gefügestrukturdichte aufweist, als in einem unteren, dem kleinen Pleuelauge (3) abgewandten Pleuelbereich des großen Pleuelauges (5).

16. Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einem kleinen Pleuelauge (3) und einem mit diesem durch einen Pleuelschaft (7) verbundenen großen Pleuelauge (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) in einem oberen, sich vom kleinen Pleuelauge (3) über den Pleuelschaft (7) bis in einen, dem kleinen Pleuelauge zugewandten Teilbereich des großen Pleuelauges (5) erstreckenden Pleuelbereich Querschnittsverringerungen und Ausnehmungen aufweist.