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Die Erfindung betrifft Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Eine Pleuelstange weist eine über einen Kolbenbolzen mit einem Kolben eines Verbrennungsmotors verbindbare kolbenseitige Pleuelbuchse, eine mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbare kurbelwellenseitige Pleuelbuchse und einen die beiden Pleuelbuchsen miteinander verbindenden Pleuelschaft auf. Die kolbenseitige Pleuelbuchse ist üblicherweise kleiner als die kurbelwellenseitige Pleuelbuchse ausgebildet. Eine Pleuelbuchse wird auch als Pleuelauge bezeichnet.
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Ein Pleuelschaft ist üblicherweise flach ausgebildet und weist zwei parallel zu einer Bewegungsebene der Pleuelstange angeordnete axiale Großseiten auf. Der Begriff „axial” ist hierbei durch die Axialrichtung der Pleuelbuchsen bestimmt. Durch diese Ausgestaltung eines Pleuelschaftes kann dem Pleuelschaft bzw. einer Pleuelstange ein geringer Strömungswiderstandskoeffizient verliehen werden, was sich vorteilhaft auf die Effizienz eines entsprechend ausgestatteten Verbrennungsmotors auswirkt.
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Um einen Pleuelschaft gegenüber betriebsbedingt auftretenden Biege- bzw. Knickkräften zu verstärken, werden an den axialen Großseiten des Pleuelschaftes Verstärkungsflansche angeordnet, welche monolithisch mit dem Pleuelschaft ausgebildet sind. Die aus dem Pleuelschaft und den Verstärkungsflanschen gebildete Pleuelkonstruktion ist üblicherweise als Doppel-T-Profil und im Querschnitt kreuzförmig ausgebildet. Die bezüglich der jeweiligen axialen Großseite gegebene Höhe eines Verstärkungsflanschs ist in der Regel über die gesamte Länge des Verstärkungsflanschs konstant. Es ist auch bekannt, die Höhe des Verstärkungsflanschs in einem an die kurbelwellenseitige Pleuelbuchse angrenzenden Übergangsabschnitt des Verstärkungsflanschs zu erhöhen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, mechanische Spannungen im Übergangsbereich von einer kolbenseitigen Pleuelbuchse einer Pleuelstange zu einem Pleuelschaft bzw. den daran angeordneten Verstärkungsflanschen der Pleuelstange zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen, die jeweils für sich genommen oder in unterschiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Die erfindungsgemäße Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, umfasst
- – wenigstens einen flach ausgebildeten Pleuelschaft, der zwei parallel zu einer Bewegungsebene der Pleuelstange angeordnete axiale Großseiten aufweist,
- – wenigstens eine mit dem Pleuelschaft verbundene, über einen Kolbenbolzen mit einem Kolben des Verbrennungsmotors verbindbare kolbenseitige Pleuelbuchse, und
- – wenigstens einen an einer axialen Großseite angeordneten, axial von der axialen Großseite vorstehenden Verstärkungsflansch, der sich ausgehend von der kolbenseitigen Pleuelbuchse über zumindest einen Teil einer Längserstreckung des Pleuelschaftes erstreckt,
- – wobei eine bezüglich der axialen Großseite gegebene Höhe des Verstärkungsflanschs in einem an die kolbenseitige Pleuelbuchse angrenzenden Übergangsabschnitt des Verstärkungsflanschs zumindest teilweise geringer als im übrigen Bereich des Verstärkungsflanschs ist.
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Durch die erfindungsgemäße Höhenreduzierung des Verstärkungsflansches in dem an die kolbenseitige Pleuelbuchse angrenzenden Übergangsabschnitt des Verstärkungsflanschs wird die Nachgiebigkeit der aus dem Pleuelschaft und dem daran angeordneten Verstärkungsflansch gebildeten Pleuelkonstruktion im Bereich des Übergangsabschnitts des Verstärkungsflanschs deutlich erhöht. Durch diese erhöhte Nachgiebigkeit der Pleuelkonstruktion können mechanische Spannungen im Übergangsbereich von der kolbenseitigen Pleuelbuchse zu dem Pleuelschaft bzw. dem daran angeordneten Verstärkungsflansch deutlich reduziert werden. Speziell bei Pleuelstangen mit größeren Flanschhöhen kann der Übergangsbereich von der kolbenseitigen Pleuelbuchse zu dem Pleuelschaft bzw. dem daran angeordneten Verstärkungsflansch spannungsoptimiert und eventuell materialsparend gestaltet werden. Hierdurch kann die Dauerfestigkeit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Pleuelstange erhöht werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Pleuelstange kann insbesondere der Gestaltungsspielraum zum Abbau von mechanischen Spannungsspitzen im Übergangsbereich von der kolbenseitigen Pleuelbuchse zu dem Pleuelschaft vergrößert werden.
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Im Betrieb moderner Verbrennungsmotoren treten immer höhere Gasdrücke auf, die mit höheren Kontaktdrücken in den Pleuelbuchsen einer Pleuelstange verbunden sind. Insbesondere in der kolbenseitigen Pleuelbuchse können dabei sehr hohe Pressungen auftreten, die an die Grenzen der Belastbarkeit bzw. Tragfähigkeit der kolbenseitigen Pleuelbuchse bzw. des damit zusammenwirkenden Kolbenbolzens heranreichen oder diese überschreiten können. Durch zunehmende Forderungen nach Leichtbau, insbesondere im Automobilbereich, müssen Pleuelschaftquerschnitte reduziert werden. Gleiches gilt für eine aus einem Pleuelschaft mit daran angeordneten Verstärkungsflanschen ausgebildete Pleuelkonstruktion. Zudem ist üblicherweise ein Spielraum für funktionsgerechte Geometriegestaltungen von solchen Pleuelkonstruktionen relativ begrenzt. Zusätzliche Einschränkungen des geometrischen Gestaltungsspielraums für Pleuelkonstruktionen ergeben sich aus Bauraumgründen und einer Notwendigkeit, dass Pleuelstangen prozesssicher in sehr großen Stückzahlen, beispielsweise durch Schmieden, hergestellt werden müssen. Des Weiteren müssen in der Regel in einem Übergangsbereich von der kolbenseitigen Pleuelbuchse zu dem Pleuelschaft Spannflächen für eine Bearbeitung der Pleuelstange vorgesehen werden. Durch die genannten Gegebenheiten werden herkömmlich die Pleuelschäfte bzw. die daran angeordneten Verstärkungsflansche relativ groß bzw. massiv dimensioniert, wodurch eine aus einem Pleuelschaft und den daran angeordneten Verstärkungsflanschen gebildete Pleuelkonstruktion sehr formstabil und wenig nachgiebig ausgebildet ist. Dies bewirkt eine sehr steife bzw. starre Abstützung der kolbenseitigen Pleuelbuchse durch den Pleuelschaft bzw. die daran angeordneten Verstärkungsflansche. Hierdurch wird die Nachgiebigkeit eines an den Pleuelschaft und die Verstärkungsflansche direkt angrenzenden Abschnitts der kolbenseitigen Pleuelbuchse eingeschränkt. Dadurch können im Betrieb eines Verbrennungsmotors relativ hohe Kontaktdruckspitzen in diesem Abschnitt der Pleuelbuchse auftreten, die zu einer relativ schnellen Ermüdung des Materials der Pleuelbuchse und/oder eines damit zusammenwirkenden Kolbenbolzens und zu einem hohen reibungsbedingten Verschleiß zwischen der kolbenseitigen Pleuelbuchse und dem Kolbenbolzen führen können.
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Durch die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Pleuelstange bewirkte höhere Nachgiebigkeit der durch den Pleuelschaft und den Verstärkungsflansch ausgebildeten Pleuelkonstruktion im an die kolbenseitige Pleuelbuchse angrenzenden Bereich der Pleuelkonstruktion wird die Nachgiebigkeit des direkt an die Pleuelkonstruktion angrenzenden Abschnitts der kolbenseitigen Pleuelbuchse weniger beeinträchtigt. Hierdurch kann eine deutlich homogenere Kontaktdruckverteilung mit verminderten Spitzenpressungen in diesem Abschnitt der kolbenseitigen Pleuelbuchse erreicht werden. Folglich können betriebsbedingte maximale Kontaktdrücke im Bereich der kolbenseitigen Pleuelbuchse reduziert und eine Pressverteilung in Umfangsrichtung in der kolbenseitigen Pleuelbuchse verbessert werden.
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Hierdurch werden die Lagerfunktion der kolbenseitigen Pleuelbuchse verbessert und ein geringerer Verschleiß zwischen der kolbenseitigen Pleuelbuchse und einem damit zusammenwirkenden Kolbenbolzen erreicht. Durch die jeweilige Formgebung des Verstärkungsflansch und das jeweilige Ausmaß der Höhenverringerung im Übergangsabschnitt des Verstärkungsflanschs lassen sich gezielt eine Verformung des direkt mit dem Pleuelschaft und dem Verstärkungsflansch verbundenen Abschnitts der kolbenseitigen Pleuelbuchse und in diesem Abschnitt auftretende mechanische Spannungen beeinflussen und optimieren. Dies macht eine spannungsoptimierte Auslegung der erfindungsgemäßen Pleuelstange möglich.
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Mit herkömmlichen Pleuelkonstruktionen sind der gezielte Abbau von Kontaktdruckspitzen bezüglich des Kontakts zwischen der kolbenseitigen Pleuelbuchse und einem damit zusammenwirkenden Kolbenbolzen sowie eine Vermeidung von mechanischen Spannungsspitzen im Übergangsbereich von der kolbenseitigen Pleuelbuchse zum Pleuelschaft bzw. dem Verstärkungsflansch nur eingeschränkt möglich.
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Der Verstärkungsflansch kann sich über einen Teil einer Längserstreckung des Pleuelschaftes oder über den gesamten Pleuelschaft erstrecken. Des Weiteren kann der Pleuelschaft monolithisch mit dem Verstärkungsflansch und/oder der kolbenseitigen Pleuelbuchse ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Verringerung der Höhe des Verstärkungsflanschs in seinem Übergangsabschnitt kann mit einer Materialeinsparung einhergehen, was wiederum Gewichts- und Kostenvorteile mit sich bringt. Die Höhe des Verstärkungsflanschs kann in seinem Übergangsabschnitt teilweise oder vollständig geringer als im übrigen Bereich des Verstärkungsflanschs sein. An einer axialen Großseite des Pleuelschaftes können auch zwei oder mehrere entsprechende, beispielsweise parallel zueinander angeordnete, Verstärkungsflansche angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäße Pleuelstange kann im Rahmen einer Neuherstellung realisiert werden. Alternativ kann die erfindungsgemäße Pleuelstange durch eine Nachbearbeitung einer bereits hergestellten Pleuelstange hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Höhe des Verstärkungsflanschs bezüglich seiner Längserstreckung einen stetigen Verlauf auf, wobei eine der axialen Großseite abgewandte freie Außenkontur des Übergangsabschnitts, welche die Höhe des Verstärkungsflanschs im Bereich des Übergangsabschnitts definiert, zumindest teilweise in Richtung der axialen Großseite gewölbt ausgebildet ist. Durch den stetigen Verlauf der Höhe des Verstärkungsflanschs in seinem Übergangsabschnitt können beispielsweise Spannungsrisse an dem Verstärkungsflansch vermieden werden, was mit einer hohen Dauerhaftigkeit der Pleuelstange einhergeht. Durch die jeweilige Formgebung der Wölbung der freien Außenkontur des Verstärkungsflanschs in seinem Übergangsabschnitt bzw. die jeweilig dadurch definierte Reduzierung der Höhe des Verstärkungsflanschs kann die Nachgiebigkeit der Pleuelstange im Bereich des Übergangsabschnitts des Verstärkungsflanschs optimal an die jeweiligen Gegebenheiten und Anforderungen angepasst werden.
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Vorteilhafterweise ist der Verstärkungsflansch in seinem Übergangsabschnitt zumindest teilweise breiter als im übrigen Bereich des Verstärkungsflanschs ausgebildet. Hierdurch können die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Nachgiebigkeit, der Pleuelstange weitergehend an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst bzw. bezüglich der jeweiligen Anforderungen optimiert werden. Der Verstärkungsflansch kann in seinem Übergangsabschnitt auch insgesamt breiter als im übrigen Bereich des Verstärkungsflanschs ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft der Verstärkungsflansch in einem mittleren Bereich der axialen Großfläche. Dies ermöglicht eine sehr homogene Krafteinleitung in die durch den Pleuelschaft und den Verstärkungsflansch gebildete Pleuelkonstruktion.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass an beiden axialen Großflächen jeweils zumindest ein entsprechender Verstärkungsflansch angeordnet ist. Die Verstärkungsflansche können achsensymmetrisch bezüglich der Bewegungsebene der Pleuelstange angeordnet bzw. ausgebildet sein. Diese symmetrische Ausgestaltung der durch den Pleuelschaft und die Verstärkungsflansche ausgebildeten Pleuelkonstruktion ermöglicht eine sehr homogene Aufnahme von Kräften in die Pleuelkonstruktion.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Pleuelstange;
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2 eine schematische Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Pleuelstange; und
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Details der in 1 gezeigten Pleuelstange im Bereich ihrer kolbenseitigen Pleuelbuchse.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Pleuelstange 1 für einen nicht gezeigten Verbrennungsmotor. Die Pleuelstange 1 umfasst einen flach ausgebildeten Pleuelschaft 2, der zwei parallel zu einer nicht gezeigten, parallel zur Zeichnungsebene angeordneten Bewegungsebene der Pleuelstange 1 angeordnete axiale Großseiten 3 und 4 aufweist, von denen in 1 nur die axiale Großseite 3 zu sehen ist. Des Weiteren umfasst die Pleuelstange 1 eine mit dem Pleuelschaft 2 verbundene, über einen nicht gezeigten Kolbenbolzen mit einem Kolben des Verbrennungsmotors verbindbare kolbenseitige Pleuelbuchse 5, die monolithisch mit dem Pleuelschaft 2 verbunden ist. Zudem umfasst die Pleuelstange 1 eine mit dem Pleuelschaft 2 verbundene, zweiteilig ausgebildete, mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbindbare kurbelwellenseitige Pleuelbuchse 6, die monolithisch mit dem Pleuelschaft 2 verbunden ist.
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An jeder axialen Großseite 3 bzw. 4 ist ein axial von der jeweiligen axialen Großseite 3 bzw. 4 vorstehender Verstärkungsflansch 7 bzw. 8 angeordnet, der sich vollständig zwischen der kolbenseitigen Pleuelbuchse 5 und der kurbelwellenseitigen Pleuelbuchse 6 erstreckt, wobei in 1 nur der Verstärkungsflansch 7 zu sehen ist. Eine bezüglich der jeweiligen axialen Großseite 3 bzw. 4 gegebene Höhe des jeweiligen Verstärkungsflanschs 7 bzw. 8 ist in einem an die kolbenseitige Pleuelbuchse 5 angrenzenden Übergangsabschnitt des jeweiligen Verstärkungsflanschs 7 bzw. 8 zumindest teilweise geringer als im übrigen Bereich des jeweiligen Verstärkungsflanschs 7 bzw. 8 ist, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist. Die Verstärkungsflansche 7 und 8 verlaufen jeweils in einem mittleren Bereich der jeweiligen axialen Großfläche 3 bzw. 4.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der in 1 gezeigten Pleuelstange 1. Es ist insbesondere zu erkennen, dass die Höhe des jeweiligen Verstärkungsflanschs 7 bzw. 8 bezüglich seiner Längserstreckung einen stetigen Verlauf aufweist. Eine der jeweiligen axialen Großseite 3 bzw. 4 abgewandte freie Außenkontur 9 bzw. 10 des jeweiligen Übergangsabschnitts, welche die Höhe des jeweiligen Verstärkungsflanschs 7 bzw. 8 im Bereich des Übergangsabschnitts definiert, ist zumindest teilweise in Richtung der jeweiligen axialen Großseite 3 bzw. 4 gewölbt ausgebildet.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details der in 1 gezeigten Pleuelstange 1 im Bereich ihrer kolbenseitigen Pleuelbuchse 5. Der Verlauf der freien Außenkontur 9 bzw. 10 des jeweiligen Übergangsabschnitts ohne eine Höhenreduzierung ist durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuelstange
- 2
- Pleuelschaft
- 3
- axiale Großseite
- 4
- axiale Großseite
- 5
- kolbenseitige Pleuelbuchse
- 6
- kurbelwellenseitige Pleuelbuchse
- 7
- Verstärkungsflansch
- 8
- Verstärkungsflansch
- 9
- Außenkontur
- 10
- Außenkontur
