DE102006042072A1

DE102006042072A1 - Pleuelstange

Info

Publication number: DE102006042072A1
Application number: DE102006042072A
Authority: DE
Inventors: Horst Prof. Dr. Gentsch; Dietmar Dipl.-Ing. Gentsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Federpleuel zwischen den beiden Pleuelstangen geteilt sind, ist erfindungsgemäß eine durchgehende Pleuelstange vorgesehen, zusammen mit einem sich in der Längsachsenrichtung der Pleuelstange erstreckenden länglichen oberen Pleuelauge, vorzugsweise ein Langloch, in das zum Beispiel der Bolzen des Kolbens federnd gelagert werden kann. Die Geometrie des Langlochs wird zur Seite hin bestimmt durch den Durchmesser des Kolbenbolzens und vertikal durch die Summe aus Durchmesser des Kolbenbolzens zuzüglich gewünschtem Federweg zur Erreichung der gewünschten Erhöhung des Totraums. Ein längliches Pleuelauge im Sinne der Erfindung ermöglicht einem darin eingesetzten Kolbenbolzen eine Relativbewegung in Bezug auf die Pleuelstange in eine bestimmte Richtung - insbesondere der Pleuelstangenlängsrichtung - zur gewünschten Erhöhung des Totraums.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange und insbesondere eine Pleuelstange zur Übertragung von Energie zwischen einem Kolben und einer Kurbelwelle einer Hubkolbenmaschine.
DE 195 30 191 , DE 198 35 146 A1 , WO 2005/049990 , DE 103 53 396 A1 , CH 252 208 , GB 21 61 580 A und WO 02/10568 A1 betreffen Pleuelstangen, bei denen das obere Pleuelauge gegenüber dem unteren Pleuelauge in Pleuelstangenlängsrichtung gegen die Kraft eines Energiespeichers zusammendrückbar sind, um beim Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine eine Erhöhung des oberen Totraums zu bewirken. Als Energiespeicher werden dabei Federn oder Fluide, insbesondere Motoröle vorgeschlagen.
DE 198 35 146 A1 offenbart dabei eine Fluidfeder, wobei ein System von Versorgungskammern und Kanälen und Rückschlagventilen eingesetzt wird um Leckageverluste auszugleichen.
Den oben genannten Pleuelstangen ist gemein, dass das obere Pleuelauge nach dem „Kolben im Zylinder" Prinzip mit der Pleuelstange verbunden ist und die Pleuelsange entsprechend anfällig bei durch Flieh- und Trägheitskräfte verursachten Querbelastungen ist. Der Einsatz von Federn, wie z.B. Stahl-Spiralfedern ist kritisch, da diese wegen der erforderlichen hohen Kräfte entsprechend schwer ausfallen müssen und daher unerwünschterweise das Gewicht des sich schnell bewegenden Pleuels weiter erhöhen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Pleuelstange bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pleuelstange gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Federpleuel zwischen den beiden Pleuelaugen geteilt sind, ist erfindungsgemäß eine durchgehende Pleuelstange vorgesehen, zusammen mit einem sich in der Längsachsenrichtung der Pleuelstange erstreckenden länglichen oberen Pleuelauge, vorzugsweise ein Langloch, in das zum Beispiel der Bolzen des Kolbens federnd gelagert werden kann. Die Geometrie des Langlochs wird zur Seite hin bestimmt durch den Durchmesser des Kolbenbolzens und vertikal durch die Summe aus Durchmesser des Kolbenbolzens zuzüglich gewünschtem Federweg zur Erreichung der gewünschten Erhöhung des Totraums. Ein längliches Pleuelauge im Sinne der Erfindung ermöglicht einem darin eingesetzten Kolbenbolzen eine Relativbewegung in Bezug auf die Pleuelstange in eine bestimmte Richtung – insbesondere der Pleuelstangenlängsrichtung – zur gewünschten Erhöhung des Totraums. In das längliche Pleuelauge können dazu federnde Elemente, z.B. aufgabengemäß geeignete kompressible Materialien eingesetzt sein. Diese können erfindungsgemäß sogar nur in das Pleuelauge eingesetzt sein, so dass eine nach oben offene Schaftausnehmung sogar entbehrlich sein kann. Das Federelement kann auch von der Seite in eine seitlich offene Schaftausnehmung montiert werden.
Vorzugsweise oder alternativ ist erfindungsgemäß eine durchgehende Pleuelstange vorgesehen, bei der das obere Pleuelauge eine Ausnehmung aufweist, in die ein federnd gelagerter Stempel in Pleuellängsrichtung eingesetzt werden kann. Ein durch das obere Pleuelauge gesteckter Bolzen, zum Beispiel als Befestigung für einen Kolben für einen Kolbenverbrennungsmotor, ist somit im oberen Pleuelauge befestigt, wobei der obere Anschlagpunkt des Bolzens starr durch die obere Wandung des oberen Pleuelauges vorgegeben ist und der Bolzen nach unten hin von dem federnd gelagerten Stempel aufgenommen wird. Die zur beabsichtigten Vergrößerung des oberen Totraumvolumens erforderliche Relativbewegung zwischen dem Kolben und dem unteren Pleuelauge wird dadurch ermöglicht. Im Vergleich zum Stand der Technik wirken auf das federnde Element, nämlich dem im wesentlichen im Inneren der Pleuelstange gelagerten Stempel, keinerlei Querkräfte. Die Relativbewegung erfolgt daher belastungs-, reibungs- und verschleißärmer als bei den zweiteiligen Federpleuelstangen des oben gewürdigten Standes der Technik.
Das obere Pleuelauge, welches in der Regel den Kolben trägt und auch kleines Pleuelauge genannt wird, ist als sich im Pleuelstangenlängsrichtung bzw. Federwegrichtung erstreckendes Langloch ausgebildet. Dadurch sind der obere und der untere Anschlagpunkt der Relativbewegung fest durch die Geometrie des Pleuelauges vorgegeben, wobei der untere Anschlagpunkt wegen der auf dem im oberen Langloch eingesetzten federnd gelagerten Bolzen zweckmäßigerweise bei normalen Bedingungen nicht erreicht wird.
Die bevorzugte Ausgestaltung mit einer Ausnehmung in dem oberen Pleuelauge, die mit der Schaftausnehmung fluchtet, ermöglicht erst die Montierbarkeit dieses federnden Pleuels. Erfinderische Montageverfahren, für die ebenfalls Schutz beansprucht wird, werden in Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben.
Vorzugsweise ist ein Durchlass im unteren Bereich der Schaftausnehmung vorgesehen, durch den im fertig montierten Zustand, d.h. bei eingesetztem Kolbenbolzen und Stempel, diese durch ein geeignetes Fluid unter Druck gesetzt werden können. Nach Befüllen mit dem Fluid wird der Durchlass mittels üblicher Mittel, beispielsweise eingepresster Metallstift oder Schraube verschlossen.
Erfindungsgemäß wird zunächst die Pleuelstange als solche, d.h. ohne eingesetzte Stempel, gefülltes Fluid und Kolbenbolzen beansprucht. Eine solche Pleuelstange ist das wesentliche Teil zur Realisierung der Erfindung.
In einem Ausführungsbeispiel ist ein in die Schaftausnehmung eingesetzter Stempel vorgesehen. Um die Montierbarkeit zu gewährleisten muss der Stempel derartig tief in die Schaftausnehmung, gegebenenfalls unter Weglassung der Feder, eingesetzt werden können, dass der Querschnitt des oberen Pleuelauges oder Langlochs zumindestens das Einschieben des Kolbenbolzens ermöglicht.
Vorzugsweise weisen Stempel und Ausnehmung eine Enge Spielpassung auf. Diese ermöglicht zum einen die Druckbeaufschlagung des Stempel mit einem Fluid und reduziert Leckagen. Die oben genannte Passung ermöglicht ferner eine einerseits in Längsachsenrichtung erfolgende Beweglichkeit und ist andererseits eng genug, damit der Stempel spielfrei gelagert wird.
Das untere Ende des Stempels dient als Dichtung gegenüber dem Fluid. Dazu ist es aus einem Werkstoff, der gegenüber der Schaftausnehmung und/oder dem Stempel eine größere Elastizität aufweist. Dadurch erfolgt ein vollständiger Abschluss des Stempels unter Druck. Üblicherweise ist die Pleuelstange und damit auch die Oberfläche der Schaftausnehmung aus Stahl, so dass als Dichtung Werkstoffe mit guten Gleiteigenschaften, die elastischer als Stahl sind, in Frage kommen, wie z.B. Bronze oder Aluminium. Die Dichtung wird auf übliche Weise mit dem Schaft verbunden, z.B. durch Anlöten, Einpressen, etc.
Abschnittsweise sind im Inneren der Schaftausnehmung Nuten vorgesehen, die eine Schmierung des Stempelaußenwand ermöglichen.
Darüber hinaus können die Nuten sich auch bis zur Unterkante des Stempels (im eingebauten Ruhezustand) erstrecken, wobei an der Unterkante des Stempels eine umlaufende Dichtkante in der Schaftausnehmung vorgesehen ist. Dies ermöglicht ein permanentes Nachdrücken von in den Nuten befindlichem Fluid, beispielsweise Motoröl, in das untere Volumen der Schaftausnehmung. Die Abmessungen sind dabei so zu wählen, dass während eines Arbeitszyklus zeitweise die Unterkante des Stempel derart oberhalb der Dichtkante liegt, dass Fluid beim anschließenden Senken des Stempels in das untere Volumen eingepresst werden kann, um Leckageverluste auszugleichen. Die Unterkante des Stempel liegt während des Saugtaktes oberhalb der Dichtkante. Motoröl ist als Fluid bevorzugt, da der Ölkreislauf des Motors genutzt werden kann, als keine separate Fluidversorgung nötig ist.
Vorzugsweise ist der Kolbenbolzen, das heißt der in das obere Pleuelauge eingesetzte Bolzen zur Befestigung des Kolbens mit einer senkrecht zu seiner Längsachse verlaufenden Ausnehmung zur Aufnahme des oberen Endes des Stempels versehen. Dies fixiert den Kolbenbolzen gegen seitliches Verschieben.
Zur Reduktion der bei der Relativschwenkbewegung zwischen Kolben und Pleuelstange auftretenden Reibung kann die Pleuelstange im Bereich des oberen Pleuelauges reibungsmindernde Komponenten aufweisen, beispielsweise eine Beschichtung mit guten Gleiteigenschaften, gleitende Oberfläche oder eine über den Bolzen gestülpte Lagerbuchse zur Reduktion der Reibung bei der Auf- und Abbewegung des Bolzens im oberen Pleuelauge. Auf die Seitenwände des oberen Auges wirken wegen der Schrägstellung des Pleuels starke Kräfte.
Vorzugsweise ist mittels Feder oder Fluid die Pleuelstange derartig vorgespannt, dass der Stempel die Oberseite des Kolbenbolzens bereits im Ruhezustand gegen die Unterkante des Langlochs drückt. Dadurch hat der erfindungsgemäße Pleuel im wesentlichen die Eigenschaften eines starren Pleuels und gibt lediglich bei Extrembelastungen im oberen Totpunkt nach. Der Druck soll dabei in etwa halbiert werden, z.B. von 80 auf 40 bar. Außerdem ist die Gefahr erheblicher Beschädigungen des Motors beim Reißen bzw. bei Desynchronisation der Steuerkette bzw. des Zahnriemens geringer, da beim Kontakt des Ventil mit dem Kolben der Kolben federnd gelagert ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln oder in beliebigen Kombinationen miteinander verwendet werden. Die erwähnten Ausführungsbeispiele sind nicht abschließend zu verstehen und haben beispielhaften Charakter. Dabei zeigt
1 einen erfindungsgemäßen Pleuel in der Aufsicht; und
2 einen erfindungsgemäßen Pleuel in der Seitenansicht.
Das obere kleine Pleuelauge 1, welches den Kolbenbolzen 2 mit einer Lagerbuchse 9 mit zwei Gleitflächen trägt, ist als Langloch ausgeführt. Den Kolbenbolzen 2 führt also hier eine Lagerbuchse 9 mit zwei Gleitflächen in dem Langloch. Je nach Größe der von oben auf den Kolbenbolzen 2 ausgeübten Kraft, überträgt der Kolbenbolzen 2 die auf den Motorkolben übertragene Gaskraft weiter auf den Druckstempel 3 und somit das Fluid 62. Dabei handelt es sich um einen in Längsrichtung des Pleuels wirksamen Energiespeicher, vorzugsweise aus normalem Motoröl bestehend. Ein Federring 4 arretiert den Druckstempel 3 im Kolbenbolzen 2 und verhindert damit eine Relativbewegung zwischen Kolbenbolzen 2 und Druckstempel 3, was zu erhöhter dynamischer Belastung führen würde.
In Längsachsenrichtung des Pleuels ist die Schaftausnehmung 61 eingebracht, die nach unten im wesentlichen verschlossen ist und die hier als Sackloch ausgeführt ist. Lediglich eine Feinbohrung 8 ermöglichst nach Montage des Kolbenbolzens bzw. Kolbens eine Befüllen des Volumens 61 mit Motoröl, wobei der bereits eingebaute Druckstempel 3 in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen 21, 91 in der Lagerbuchse 9 und Kolbenbolzen 2 gedrückt wird. Im betriebsfähigen Zustand ist die Feinbohrung 8 mit üblichen Mitteln druckdicht verschlossen.
Durch das Füllen des Volumens 61 mit Öl wird das Motorölvolumen 62 durch die Feinbohrung 8 eingepresst, bis der Druckstempel 3 den Anschlag im Kolbenbolzen 2 erreicht hat. Dabei füllen sich die Ölergänzungsnuten 5 in dem oberen Bereich der Schaftausnehmung mit Öl. Die Feinbohrung 8 wird abschließend verschlossen. Das große Pleuelauge 7 ist in üblicher Weise ausgeführt.
Mit der Sacklochbohrung bzw. Schaftausnehmung 61 fluchtet eine weitere Ausnehmung 11 im oberen Dach des oberen Pleuelauges. Dieses erst gewährleistet die Montierbarkeit des Druckstempels 3.
Im Folgenden werden beispielhaft mehrere Montageverfahren beschrieben:

1. Vor dem Einschieben des Kolbenbolzens 2 durch den Kolben und das Langlochpleuelauge 1 muss der Druckstempel 3 versenkt werden in die noch nicht mit Öl gefüllte Sacklochbohrung 61 in der Pleuelstange. In Letztere wird vorher eine kleine Menge eines niedrig siedenden Fluids eingebracht. Nach diesem Schritt können Kolbenbolzen und Kolben auf den Pleuel montiert und arretiert werden. Durch Erhitzen der Pleuelstange treibt der Dampfdruck des Fluids den Druckstempel 3 in die vorgesehene Position. In dieser Position steht der Druckstempel vor der Dichtkante 63, so dass das Fluid entweichen kann. Als letzter Montageschritt wird unter Vakuum das Ölvolumen der Hydrofeder mit Motoröl gefüllt.
2. Nach der Montage der Bauteile Kolben, Pleuel und Kolbenbolzen wie vorstehend, kann der Druckstempel durch Schwerkraft oder Trägheitskräfte mittels Vibrator und/oder Stoß in Position gebracht werden.
3. Wie vorstehend beschrieben beginnt die Montage nach dem Versenken des Druckstempels 3. Für das Einbringend es Druckstempels in das Querloch 21, 91 im Kolbenbolzen 2 bis zum Anschlag wird eine Zugvorrichtung in den Druckstempel von oben eingeschraubt, für deren Durchgang sowohl in den Kolben wie in den Kolbenbolzen und die Lagerbuchse je eine fluchtende Feinbohrung eingebracht wird. Nach dem Zug des Druckstempels in Position und dem Ausschrauben der Zugstange erfolgt die Füllung der Hydrofeder mit Motoröl unter Vakuum und die Feinbohrung im Kolben wird verschlossen.
4. Nach dem Versenken des Druckstempels wie oben können die Teile Kolben und Pleuel durch den Kolbenbolzen verbunden werden. Zum Positionieren des Druckstempels in das Querloch 21, 91 im Kolbenbolzen bis zum Anschlag wird Motoröl durch die Feinbohrung 8 an die Sachlochbohrung 61 gedrückt, bis der Druckstempel seine vorgesehene Position erreicht hat. Das heißt, er steht vor der Dichtkante und Öl füllt die Nuten, durch die der Ölnachlauf im Dauerbetrieb des Motors geht. So kann bei jedem Ladehub des Motors, also wenn der Druckstempel vor der Dichtkante steht, Öl ergänzt werden, das zum Beispiel via Ölfilm aus dem Volumen 62 entwichen ist. Anschließend wird die Feinbohrung 8 auf übliche Weise verschlossen.
5. Alternativ kann das Volumen 62 durch eine Feinbohrung in Höhe der Dichtkante 63 mit Öl gefüllt werden ohne Anwendung von Vakuum.

Claims

Pleuelstange mit einem oberen Pleuelauge (1) und einem unteren Pleuelauge (7), das über einen in Pleuelstangenlängsrichtung sich erstreckenden Schaft (6) (einstückig) mit dem oberen Pleuelauge verbunden ist, wobei in dem Schaft eine sich in Pleuelstangenlängsrichtung erstreckende nach oben offene Schaftausnehmung (61) vorgesehen ist, in die eine Feder (62) derart eingebracht werden kann, dass ein in die Schaftausnehmung eingesetzter Stempel (3) in Pleuelstangenlängsrichtung federnd beweglich gelagert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Pleuelauge (1) starr mit dem unteren Pleuelauge (7) verbunden ist und das obere Pleuelauge ein sich in Pleuelstangenlängsrichtung erstreckendes längliches Pleuelauge, insbesondere Langloch ist.
Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Pleuelauge (1) eine mit der Schaftausnehmung (61) fluchtende Ausnehmung (11) aufweist, derart, dass durch die Ausnehmung (11) der Stempel (3) in die Schaftausnehmung eingesetzt werden kann.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der geraden Flanken des Langlochs derart sind, dass bei Einbau der Pleuelstange in einen Kolbenverbrennungsmotor die Flanken mindestens die zum Erreichen einer gewünschten Totraumvergrößerung des Kolbenverbrennungsmotors benötigte Länge haben.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Bereich der Schaftausnehmung einen Durchlass (8), insbesondere eine Feinbohrung, vorzugsweise kleiner als 3 mm, zum Einfüllen von einem Fluid aufweist.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem in die Schaftausnehmung eingesetzten Stempel (3), wobei die Schaftausnehmung mindestens eine derartige Länge aufweist, dass bei Abwesenheit der Feder in das Langloch ein Bolzen von dem Durchmesser des Langlochs seitlich einschiebbar ist.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel und die Ausnehmung eine – enge Spielpassung aufweisen.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im eingebauten Ruhezustand der Pleuelstange in dem Bereich der Schaftausnehmung, an der die Stempelaußenwand an der Schaftausnehmung anliegt, zumindest abschnittsweise Nuten (5) vorgesehen sind.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein eingebauten Ruhezustand der Pleuelstange die Nuten sich vom unteren Rand des oberen Pleuelauges bis zur Unterkante des Stempels erstrecken, insbesondere bis 0.1–0,5 mm, vorzugsweise 0,2–0,4 mm und insbesondere vorzugsweise 0,3 mm unterhalb der Unterkante.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtkante, insbesondere eine umlaufende Dichtkante, in der Schaftausnehmung vorgesehen ist, an der im eingebauten Zustand der Pleuelstange die Unterkante des Stempels derart anliegen kann, dass unter Druck der Stempel spielfrei anliegt..
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem in dem oberen Pleuelauge von einer Seite eingeschobenen Bolzen (2, 9).
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (2, 9) eine senkrecht zur Bolzenlängsachse verlaufende Ausnehmung (21, 91) zur Aufnahme des oberen Endes des Stempels aufweist.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im eingebauten Ruhezustand der Pleuelstange der Stempel die Oberseite des Bolzen gegen die Unterkante des Langlochs drückt.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen eine gleitende Beschichtung, Oberfläche oder Lagerbuchse (9) aufweist.
Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem am oberen Pleuelauge um eine Achse schwenkbar mittels des Bolzens befestigten Kolben.
Kolbenverbrennungsmotor mit in Zylindern geführten Kolben, die an einer Pleuelstange nach einem der vorherigen Ansprüche befestigt sind.