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Die
Erfindung betrifft einen Pleuel mit zumindest einem Pleuelauge,
in dem eine Lagerschale angeordnet ist, sowie ein Verfahren zur
Herstellung desselben.
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Aus
dem Stand der Technik sind Pleuel mit Lagern zur Verwendung in der
Kraftfahrzeugtechnologie – und somit seriengefertigte Pleuel – bekannt, deren
Lager erhalten werden, indem die in einem separaten Produktionsprozess
gefertigten Lagerschalen in die Pleuelaugen eingesetzt werden. Damit
die Lagerschalen in den Pleuelaugen gehalten werden, ist ein entsprechender
Stahlstützkörper erforderlich, für den
ein Bauraum für Lager und Stahlstützkörper vorzusehen
ist.
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Derartige
Pleuel mit entsprechend eingelegten Lagern sind in der
DE 199 02 819 C1 beschrieben.
Die dortigen Pleuelstangen werden in einer Brennkraftmaschine eingesetzt,
wobei sie auf einer Kurbelwelle angeordnet werden und den Hubzapfen unter
Zwischenschaltung von Pleuellagerschalen umgeben. Die Lagerbohrungen
dieser Pleuellagerschalen sind angefast, wobei eine wirksame Lagerbreite
optimiert wird, indem die Fasen entsprechend ihrer Anlageposition
unterschiedlich groß sind. Damit gelingt es, die wirksame
Lagerbreite der Pleuelstangen auf einem Hubzapfen einer Kurbelwelle
zu optimieren, ohne dass jedoch die Gesamtbauhöhe ersichtlich
verringert würde; dabei ist jedoch die getrennte und aufwändige
Fertigung der Pleuellager erforderlich.
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Eine
Lagerschale, die hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität
verbessert ist, ist aus der
DE 10 2004 055 228 A1 bekannt: Dort wird
gelehrt, eine Lagerschale in einem Pleuelauge aus mehreren thermisch gespritzten
Schichten zu schaffen, wobei die oberste Materialschicht der Lagerschale
im Wesentlichen aus einer Aluminium-Wismut-Legierung beschaffen
ist. In Bezug auf das Cracken des Pleuels sind dabei komplexe Arbeitsschritte
erforderlich, um präzises Zusammenpassen einmal gecrackter
Pleuel nach der Beschichtung des Pleuelauges zur Lagerschalenfertigung
zu gewährleisten.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, zur
Gestaltung leichterer Pleuel, die auch eine optimierte Bauhöhe
aufweisen, eine Lösung zu finden, bei der einerseits ein
Stahlstützkörper zum Halten von Lagern nicht erforderlich
ist und andererseits das Pleuelauge nicht gefährdet ist, nach
dem Cracken durch eine Lagerschalenfertigung ein Passproblem aufzuweisen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Pleuel mit den Merkmalen des Anspruchs 1
und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine
erste Ausführungsform bezieht sich dabei auf einen Pleuel
mit einem Pleuelauge, in dem eine Lagerschale angeordnet ist, wobei
die Lagerschale durch eine metallische Lötverbindung unlösbar
in dem Pleuelauge festgelegt ist. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft
eine optimale Verdrehsicherheit der Lagerschale in dem Pleuelauge,
verbunden mit hoher Belastbarkeit des Materials. Vorteilhaft ist
weiter, dass das die Lagerschale bildende Material keine Poren und
Oxidschichten aufweist und insofern wünschenswert hohe
Lebensdauern aufweist.
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Eine
weitere Ausführungsform bezieht sich darauf, dass die Lagerschale,
die eingelötet wird, eine Volllagerschale, eine Teillagerschale
oder eine Halblagerschale sein kann, die entsprechend unterschiedlichen
Anwendungen oder Montagevorgaben genügt. Dabei kann die
Lagerschale eine vorgefertigte Lagerschale sein, die aus einem flächigen
Lagerschalenmaterial gefertigt wurde, sie kann jedoch ebenfalls
aus einem rohrförmigen oder einem geschlitzt rohrförmigen
Lagermaterial unmittelbar in dem Pleuelauge hergestellt werden.
Die derartige Erzeugung der endfertigen Lagerschale in dem Pleuel ist
für die serielle Herstellung von Pleueln sehr geeignet.
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Das
Lagerschalenmaterial, aus dem entsprechend Volllagerschalen, Teillagerschalen
oder Halblagerschalen entweder vorgefertigt oder in dem Pleuelauge
erzeugt werden, besteht erfindungsgemäß aus einem
Kupferknetwerkstoff, während der Pleuel ein metallischer
Pleuel ist, der gemäß gängiger Fertigungsverfahren
ein Stahl-, Sintermetall-, Guss- oder Titanpleuel sein wird.
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Zur
Erzeugung der Lotverbindung, die die Lagerschale unlösbar
in dem Pleuelauge festlegt, wird erfindungsgemäß die
Lagerschale, respektive das Material, das die Lagerschale in dem
Pleuelauge während des Fertigungsprozesses bildet, mit
Lot beschichtet. Besonders geeignet sind Lote, die in die zu verbindenden
Materialien gut eindiffundieren und so die gewünschte metallische
Verbindung zur vorteilhaft verdrehsicheren Festlegung der Lagerschale
in dem Pleuelauge schaffen.
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Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Pleuels weisen daher Lagerschalen
mit dünnen Wandstärken auf, die keinen Stahlrücken
zum Einlegen in ein Pleuelauge erfordern. Vorteilhaft ist damit eine
Reduktion der Bauhöhe des Pleuelauges verbunden; die Lagerschale
kann eine Wandhöhe aufweisen, die geringer ist als die
Wandhöhe der Innenwandung des Pleuelauges. Der Pleuel mit
darin gefertigter Lagerschale im großen und-/oder kleinen Pleuelauge
kann vorteilhaft gecrackt werden, ohne dass durch nachfolgende Einpassung
eines Lagers Passprobleme der Crackstellen entstehen würden.
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Ausführungsformen
des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Pleuels beziehen sich im Wesentlichen darauf, dass die entsprechend vorgefertigte
Lagerschale oder ein die Lagerschale bildender Abschnitt eines rohrförmigen
oder eines rohrförmig geschlitzten Lagerschalenmaterials,
das zur späteren Abtrennung des festgelegten Abschnitts in
dem Pleuelauge vorgekerbt sein kann, in dem Pleuelauge angeordnet
wird, ehe eine Lötverbindung zwischen dem Lagerschalenmaterial
und dem Pleuelauge hergestellt wird, um die Lagerschale oder den Abschnitt
des Lagerschalenmaterials festzulegen. Die Lotschicht, die zwischen
Pleuelauge und einer Außenwandung der Lagerschale zur Schaffung
der Lotverbindung erforderlich ist, kann vorteilhaft durch automatisierte
Verfahrensschritte galvanisch oder durch Tauchbeschichten auf das
Lagerschalenmaterial aufgebracht werden.
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Ein
weiterer Verfahrensschritt sieht nunmehr das Erhitzen der Lotschicht
auf zumindest eine Schmelztemperatur vor, die gehalten wird, bis
zumindest ein Teil des Lots zur wirksamen Herstellung der Metallverbindung
in das Material der Lagerschale und in das Material des Pleuelauges
eindiffundiert ist, ehe der Pleuel mit dem darin eingelöteten
Lager abkühlen gelassen wird.
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Weitere
Verfahrensschritte sehen das mechanische Trennen des Lagers an den
Stellen vor, an denen der Pleuel mittels Cracken geöffnet
wird; wenn das Lager aus n Teillagerschalen besteht, die an den Crackstellen
nicht verbunden sind, so entfällt das mechanische Trennen
der Lageschale.
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Die
Endfertigung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Pleuels kann weiter die Zerspanung der Lagerschale in dem Pleuelauge
auf ein Endmaß sowie das Entgraten von Kanten an der Lagerschale
und/oder an einem Rand des Pleuelauges umfassen.
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Überraschend
ist es daher möglich, gemäß der Erfindung
verdrehsichere Pleuellager im Pleuel direkt automatisiert zu fertigen,
die sich für Leichtbauweisen eignen und entsprechend dazu
beitragen, Gewichte von Verbrennungsmaschinen zu reduzieren, und
die daher für die Automobilindustrie von hohem Interesse
sind.
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Figurenbeschreibung
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Der
Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung
der Beschreibung. Gegenstände oder Teile von Gegenständen,
die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können
mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der
Erfindung.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Draufsicht eines erfindungsgemäßen
Pleuels mit einer in dem großen Pleuelauge angeordneten
Lagerschale,
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2 eine
Draufsicht auf die Innenwandung des großen Pleuelauges
mit darin angeordneter Lagerschale.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Pleuel 1, das ein
großes Pleuelauge 2 und ein kleines Pleuelauge 2' umfasst,
wobei in dem großen Pleuelauge 2 eine erfindungsgemäße
Lagerschale 3 angeordnet ist. Selbstverständlich
kann in dem kleinen Pleuelauge 2' eine gleichartig gefertigte
Lagerschale angeordnet sein. Die Lagerschale 3 ist durch
eine Lötverbindung unlösbar in dem großen
Pleuelauge 2' festgelegt. Vorliegend handelt es sich bei
der Lagerschale 3 um eine sogenannte Volllagerschale, in
anderen Anwendungen kann es jedoch ausreichend sein, eine Teillagerschale
oder zwei Halblagerschalen in entsprechenden Pleuelaugen anzubringen.
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Volllagerschalen
können auf geeignete Weise automatisiert aus rohrförmigen
Lagerschalenmaterialien gefertigt werden, während Teillagerschalen aus
Teilrohren, also etwa aus Schlitzrohren, gefertigt werden. Entsprechend
können Halblagerschalen durch die Teilung von Rohren, also
aus Rohrlängsabschnitten gefertigt werden, oder alternativ
aus Blechen oder flächigen Blechelementen, die zu Teillagerschalen
geformt werden können.
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Selbstverständlich
ist auch die Fertigung zunächst eines Schlitzrohrs aus
einem Blechstreifen möglich, aus dem dann eine entsprechende
Teillagerschale hergestellt wird.
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Das
Material des erfindungsgemäßen Pleuels 1 besteht
dabei aus einem Stahl, kann jedoch auch aus Sintermetall-, Guss-
oder Titan beschaffen sein. Als Lagerschalenmaterialien sind Kupferknetwerkstoffe
unterschiedlichster Zusammensetzungen und entsprechend unterschiedlichen
Festigkeiten und Gefügen geeignet, solange sich selbige
für die Anwendung der Diffusionslöttechnik eignen
und die Lager- und Pleuelwerkstoffe zuverlässig verbinden.
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Entsprechend
der gewünschten Bauhöhe einer zu fertigenden Lagerschale
kann ein rohrförmiges Material nach einem entsprechenden
Abschnitt eine umlaufende Kerbe zur mechanischen Abtrennung des
festgelegten, eingelöteten Abschnitts vom Gesamtrohr aufweisen.
Weiterhin kann das Rohe innenseitig vorgekerbt sein, um die mechanische
Trennung an den Stellen zu erleichtern, an denen der Pleuel gecrackt
wird. Das Kerben kann per Laser oder mechanisch vorgenommen werden.
Selbstverständlich weiß der Fachmann, auf welche
anderen Weisen entsprechende Kerben oder andere, die mechanische
Abtrennung von Rohrabschnitten erleichternde Maßnahmen
an dem Rohr vorgenommen werden können.
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Vorteilhaft
können die erfindungsgemäßen Lagerschalen
eine Wandhöhe aufweisen, die geringer ist als eine Wandhöhe
einer Wandung des Pleuelauges, da das Stahlstützgerüst
nicht erforderlich, das bei einzulegenden Lagerschalen anfällt
um diese zu stabilisieren und um das Zurückhalten der Lagerschalen
in den Pleuelaugen sicher zu stellen. Entsprechend verringert sich
die gesamte Bauhöhe des Lagers. Mit der so optimierten
Bauhöhe des Lagers und auch der optimierten Bauhöhe
des Pleuelauges wird ein geringerer Materialaufwand erforderlich,
was zu einem geringeren Gewicht der Gesamtvorrichtung führt.
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Um
die erfindungsgemäß beschriebene Metallverbindung
zwischen der Lagerschale beziehungsweise dem Lagerschalenmaterial
und dem Pleuelauge herzustellen, wird eine Lotschicht zwischen einer
Außenwandung der Lagerschale beziehungsweise dem Abschnitt
des Lagerschalenmaterials, aus dem die Lagerschale in dem Pleuelauge
geschaffen wird, und dem Pleuelauge angebracht. Es wird daher eine
bereits mit Lot beschichtete Lagerschale oder ein mit Lot beschichtetes
Lagerschalenmaterial in das Pleuelauge eingesetzt. Das zur Herstellung
der Metall-Metall-Verbindung verwendete Lot ist bevorzugt eine Schicht
aus einem Zinn-, Zink-, Aluminium- oder einem anderen in Kupfer
löslichem Lot, das darüber hinaus geeignet ist,
eine Metallverbindung mit dem Stahlguss oder dem entsprechenden
anderen Material, aus dem das Pleuelauge beschaffen ist, herzustellen.
Die erforderliche Dicke des Lots liegt im Bereich von 1,0 bis 10,0 μm,
bevorzugt im Bereich von 2,0 bis 5,0 μm.
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Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Pleuels
wird daher eine bereits vorgefertigte Lagerschale oder ein die Lagerschale
bildender Abschnitt eines rohrförmigen oder rohrförmig
geschlitzten und optional ein vorteilhaft mit entsprechend beabstandeten
Kerben versehenes Lagerschalenmaterial zur Fertigung der Voll-,
Teil- oder Halblagerschale in dem Pleuelauge angeordnet und nachfolgend
durch Einlöten unlösbar festgelegt. Die Herstellung
der Metallverbindung erfordert eine Lotschicht, die bereits durch
Vorbeschichten entweder vorgefertigter Lagerschalen oder durch Vorbeschichten
des rohrförmigen oder rohrförmig geschlitzten
Materials bereitgestellt wird. Da es ferner ebenfalls möglich
ist, Lagerschalen auch aus Blechmaterialien zu fertigen, können
ebenfalls flächige Bleche vorbeschichtet und so dann zu Rohren
geformt werden. Die gewünschte Lotbeschichtung kann galvanisch
oder mittels Tauchbeschichtung der Vorkomponenten zur Schaffung
der Lagerschalen erfolgen. Dem Fachmann sind weitere Beschichtungsverfahren
bekannt.
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Das
Einbringen vorgefertigter Lagerschalen oder von rohrförmigem
Lagerschalenmaterial wird derart ausgeführt, dass eine
Presspassung des rohrförmigen Materials in dem Pleuelauge
erzielt wird. Hierzu kann es sich als vorteilhaft erweisen, die
vorgefertigte Lagerschale oder den entsprechenden Rohrabschnitt
tiefgekühlt einzupressen oder durch einen Umformprozess
nach Anordnen in dem Pleuelauge allseitig aufzuweiten. Werden Teillagerschalen oder
Halblagerschalen oder Teilrohrabschnitte zur Bildung von Teil- oder
Halblagerschalen in dem Pleuelauge angeordnet, so kann es erforderlich
sein, entsprechende Haltewerkzeuge einzusetzen, die das Lagerschalenmaterial
gegen die Innenwandung des Pleuelauges pressen, bis diese durch
die zu erzeugende Metallverbindung endgültig in dem Pleuelauge festgelegt
ist. Um die Metall-Metall-Verbindung zwischen der Pleuelauge-Innenwandung
und der Außenwandung der Lagerschale, beziehungsweise dem
Lagerschalenmaterial herzustellen, wird nun das Lot, das ein Zinn-,
Zink-, Silber-, oder ein anderes geeignetes Lot sein kann, über
seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Schmelzpunkte und entsprechende
Schmelztemperaturen für die unterschiedlichen Lote kann
der Fachmann gängigen Tabellenwerken entnehmen. Die geeigneten
Lote zur Herstellung des erfindungsgemäßen Pleuels
diffundieren in die Kupferlegierung des Lagerschalenmaterials und in
das Pleuelmaterial ein, solange das Lot in der Schmelze gehalten
wird und entsprechend der vorhandenen Lotmenge. Ob die Lotschicht vollständig verbraucht
ist, kann der Fachmann leicht durch Herstellung eines Schliffs eines
derart hergestellten Pleuelexemplars überprüfen.
Der Lötvorgang kann mittels Diffusionslöten oder
induktiv erfolgen.
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Nach
Abschluss des Lötvorgangs wird das Material abkühlen
gelassen und es wird, in dem Fall, dass ein Rohrabschnitt in das
Pleuelauge eingelötet wurde, eine mechanische Trennung
desselben vorgenommen. Ebenfalls kann eine mechanische Trennung
der erzeugten Lagerschale an den Stellen erfolgen, an denen der
Pleuel gecrackt wird. Damit ist sicher gestellt, dass die gecrackten
Teile durch die Lagerschalenschaffung hinsichtlich ihres Zusammenpassens
nicht beeinträchtigt werden.
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Die
Endbearbeitung des so erhaltenen Pleuels mit Lagerschale kann vor
dem Cracken ein Zerspanen der Lagerschale auf Endmaß und
Entgraten möglicher Kanten umfassen. Das so endbearbeitete Werkstück
kann abschließend mit einer Schutzschicht wie in einem
Gleitlack versehen werden. Ein derartiger Gleitlack oder eine andere
geeignete Schutzschicht, die auf einer Innenwandung des Lagers aufgebracht
wird, kann auch bereits vor dem Einbringen des Lagermaterials in
das Pleuelauge aufgetragen werden.
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Das
erfindungsgemäß unmittelbar mit dem Pleuelauge
verbundene Lager weist eine hohe Verdrehsicherheit auf und hat trotz
der in Bezug auf Pleuel mit eingelegten Lagern verringerten Bauhöhe eine
hohe Steifigkeit. Das Gesamtsystem weist eine kompakte Bauweise
und eine damit verbundene Steifigkeit auf, obgleich die Dicke des
eingebrachten Lagermaterials vorteilhaft lediglich im Bereich von 0,2
bis 0,5 mm, besonders bevorzugt bei 0,3 mm liegt. Da im Vergleich
zu konventionellen Lagern, die ein Stahlstützgerüst
erfordern, die Wandung des gesamten Lagers dünner sein
kann, ist es auch möglich, das Pleuelauge bei gleich bleibendem
Außendurchmesser mit einem geringeren Innendurchmesser
zu versehen, um hierdurch die Steifigkeit des Pleuels weiter zu
erhöhen. Wenn jedoch Leichtbaueffekte realisiert werden
sollen, wird bei optimiertem Bauraum und leichterem Lager der Pleuel
in seiner Geometrie der verbesserten Bauraumgestaltung angepasst,
so dass die Verbindung aus Pleuel und Lager, beziehungsweise Lagern,
sofern auch das kleine Pleuelauge mit einem erfindungsgemäßen
Lager ausgestattet wird, leichter wird.
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Vorteilhaft
lassen sich die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ökonomisch
automatisiert Durchführen und Erlauben eine geschickte
zeit- und kostenökonomische Herstellung eines Pleuels mit
einem oder mehreren erfindungsgemäßen Lagern. Durch
die bereit gestellte metallische Verbindung zwischen Lager und Pleuelauge
wird daher eine Vorrichtung mit hoher Belastbarkeit und Verdrehsicherheit
bereitgestellt, die durch die Materialbeschaffenheit eine hohe Lebensdauer
der Vorrichtung ermöglicht. Ferner ist es möglich,
dass der Endfertigungsschritt der Zerspanung auf Endmaß entfallen
kann, wenn die Lager aus Blechstreifen, die nach Lotbeschichtung
zu den entsprechenden Rohren geformt werden, eingesetzt werden,
da bei der Verwendung von Blechen Fertigungsgenauigkeiten möglich
sind, die zur Darstellung präziserer Endmaße führen,
als dies bei der Verwendung von Rohren der Fall ist. Bei der Verwendung
von flächigen Blechen als Ausgangsmaterial ist es daher
möglich, dass Maßabweichungen von lediglich 10 μm
vorliegen. Durch die Verwendung dieser Materialien kann insofern
das erfindungsgemäße Verfahren zeit- und kostenoptimiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19902819
C1 [0003]
- - DE 102004055228 A1 [0004]