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Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Pleuel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pleuels.
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Ein Pleuel dient in einer (Hubkolben-)Brennkraftmaschine der Übertragung einer zyklischen Linearbewegung eines in einem Zylinder geführten Kolbens auf eine Kurbelwelle, um die Kurbelwelle drehend anzutreiben. Hierzu ist der Pleuel, in Grenzen um zumindest eine Drehachse schwenkbar, mit dem Kolben verbunden. Diese drehbare Verbindung wird in der Regel durch die Ausbildung einer Lageröffnung an einem Ende des Pleuels, häufig als kleines Pleuelauge bezeichnet, realisiert, in der ein Lagerbolzen des Kolbens, auch Kolbenbolzen genannt, drehbar gelagert ist. Weiterhin ist das dem kleinen Pleuelauge gegenüberliegende Ende des Pleuels drehbar mit einem Hubzapfen der Kurbelwelle verbunden. Hierzu bildet das entsprechende Ende des Pleuels eine häufig als großes Pleuelauge bezeichnete Lageröffnung aus. Durch den Abstand zwischen der Längsachse des Hubzapfens und der Drehachse der Kurbelwelle führt eine auf den Kolben wirkende Druckkraft zu einem auf die Kurbelwelle wirkenden Drehmoment, wodurch diese drehend angetrieben wird. Die Bewegung des großen Pleuelauges des Pleuels auf einer Kreisbahn um die Drehachse der Kurbelwelle wird durch die Schwenkbarkeit der Verbindung zwischen dem Pleuel und dem Kolben gewährleistet.
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Ein Pleuel erreicht in Abhängigkeit von der Drehzahl, mit der die dazugehörige Brennkraftmaschine betrieben wird, hohe Geschwindigkeiten und, infolge der zyklischen Umkehrung seiner Bewegungsrichtung, sehr hohe Beschleunigungen. Es ist offensichtlich, dass sich durch eine möglichst leichte Ausgestaltung eines Pleuels vielfältige Vorteile für die konstruktive Auslegung und den Betrieb der Brennkraftmaschine ergeben. Zusätzlich kann die Reduzierung der oszillierenden Masse gegebenenfalls zu einer Einsparung einer Ausgleichswelle oder deren Ausgleichsmasse führen. Eine Reduzierung der rotierende Masse kann zudem zu einer Reduzierung der Masse der Kurbelwelle führen. Andererseits ist ein Pleuel im Betrieb der Brennkraftmaschine hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, wodurch den Leichtbaubestrebungen relativ enge Grenzen gesetzt werden. Dies führt dazu, dass weiterhin im Wesentlichen alle Pleuel von Brennkraftmaschinen in Vollmaterialbauweisen aus Metall ausgebildet sind. Die Herstellung solcher Pleuel erfolgt zumeist durch Gießen.
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Aus der
DE 39 28 855 A1 ist eine durch Spritzgießen aus faserverstärktem Kunststoff hergestellte Zug-Druck-Strebe mit einer Fachwerkstruktur bekannt, die als Pleuel für eine Brennkraftmaschine verwendbar sein soll.
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Weiterhin ist aus der
US 6 457 380 B1 eine stabförmige Motorstütze mit einer Fachwerkstruktur bekannt, die durch Gießen aus Metall ausgebildet ist.
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Die
DE 32 04 093 A1 , die
EP 0 621 410 A2 und die
GB 2 171 489 A offenbaren jeweils ein gebautes Pleuel unter Verwendung einer umlaufenden Bandage, innerhalb der ringförmige Drehlagerelemente angeordnet sind, zwischen denen ein oder mehrere Bauelemente zur Abstützung der Drehlagerelemente und zur Verstärkung der Bandage im Bereich des Schafts des Pleuels angeordnet sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine anzugeben, das möglichst leicht ist und dabei eine ausreichende thermische und mechanische Belastbarkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Pleuels gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Pleuel ist Gegenstand des Patentanspruchs 11 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Pleuels ist Gegenstand des Patentanspruchs 13 oder 14 Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Pleuels und der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sowie bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit einem zur Verbindung mit einer Kurbelwelle vorgesehenen ersten Drehlagerelement, einem zur Verbindung mit einem Kolben vorgesehenen zweiten Drehlagerelement und einem die Drehlagerelemente verbindenden Pleuelschaft, wobei der Pleuelschaft mehrere die Drehlagerelemente verbindende Längsstreben und eine oder mehrere die Längsstreben verbindende Querstreben aufweist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuelschaft zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus einem Metall oder zumindest einem metallischen Werkstoff (insbesondere einem Leichtmetall, z.B. einer Aluminium- oder Magnesium- oder Titanlegierung) ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung des Pleuelschafts als Fachwerk, insbesondere als Raumfachwerk, und die zumindest teilweise Ausgestaltung aus einem metallischen Werkstoff kann ein Pleuel realisiert werden, der relativ leicht und gleichzeitig ausreichend thermisch und mechanisch belastbar ist.
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Das erste Drehlagerelement und/oder das zweite Drehlagerelement kann/können beispielsweise (jeweils) in Form eines sogenannten Pleuelauges ausgebildet sein, so dass an dem/den entsprechenden Ende(n) des Pleuels (jeweils) eine Lageröffnung ausgebildet ist, durch die ein Lagerbolzen des Kolbens oder ein Hubzapfen der Kurbelwelle hindurch geführt ist. Alternative Ausgestaltungen für eines oder beide Drehlagerelemente sind gleichfalls möglich. Beispielsweise kann insbesondere das zweite Drehlagerelement einen (teil-)kugelförmigen Gelenkkopf aufweisen, der schwenkbar in einer (teil-)kugelförmigen Gelenkschale des Kolbens aufgenommen sein kann.
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Als (Längs- oder Quer-) „Strebe“ wird ein stabförmiges Bauteil verstanden, dessen Längserstreckung deutlich größer und insbesondere mindestens das Doppelte oder ein noch größeres Vielfaches von dessen (größter) Quererstreckung (senkrecht zur Längsachse) beträgt. Dabei muss eine Strebe nicht zwangsläufig einen geraden Längsverlauf aufweisen. Vorzugsweise ist dies jedoch vorgesehen, weil dadurch eine bevorzugte Belastung der Strebe im Wesentlichen ausschließlich mit Zugkräften und/oder Druckkräften positiv beeinflusst werden kann.
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Die Querstreben können die Längsstreben direkt oder indirekt, d.h. unter Einbindung eines weiteren Strukturelements des Pleuels, wie beispielsweise eines der Drehlagerelemente, miteinander verbinden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest eine der Querstreben, bei mehr als zwei Querstreben weiterhin bevorzugt die Mehrzahl davon, zur direkten Verbindung der Längsstreben ausgebildet ist. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn zumindest ein Teil der Querstreben (bzw. deren Längsachsen) eine Ausrichtung aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Pleuels oder des Pleuelschafts verläuft. Zudem kann zumindest ein (weiterer) Teil der Querstreben derart ausgerichtet sein, dass deren Längsachsen mit der Längsachse des Pleuels oder des Pleuelschafts Winkel ungleich 90°, vorzugsweise auch ungleich 0° und insbesondere von ca. 45° einschließen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pleuels kann vorgesehen sein, dass mindestens drei, vorzugsweise in einer geraden Anzahl, beispielsweise exakt oder mindestens vier, exakt oder mindestens sechs oder auch exakt oder mindestens acht Längsstreben vorgesehen sind, deren Längsachsen in mehr als einer Ebene angeordnet sind. Eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pleuels kann zu einer mechanisch besonders belastbaren Ausgestaltung bei weiterhin relativ geringem Gewicht des Pleuels führen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Biegesteifigkeit für den Pleuel positiv beeinflusst werden. Weiterhin bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Längsachsen einer ersten Teilmenge (insbesondere Hälfte) der Längsstreben in einer ersten Ebene und die Längsachsen einer zweiten Teilmenge (insbesondere Hälfte) in einer zweiten Ebene angeordnet sind.
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Vier Längsstreben können vorzugsweise eckseitig angeordnet sein, d.h. jede der Längsstreben geht bezüglich einer ersten Richtung, die senkrecht zu der Längsachse des Pleuels oder der Pleuelstange ausgerichtet ist, sowie bezüglich einer zweiten Richtung, die einerseits senkrecht zu der Längsachse des Pleuels oder Pleuelschafts und andererseits senkrecht zu der ersten Richtung ausgerichtet ist, möglichst weit außen (bzw. in möglichst großem Abstand von der Längsachse des Pleuels) in die Drehlagerelemente über. Bei außenseitig rund ausgebildeten Drehlagerelemente können die Längsstreben weiterhin bevorzugt tangential in die Drehlagerelemente übergehen.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zumindest eine, vorzugsweise exakt oder mindestens zwei Längsstreben in Überdeckung der Längsachse des Pleuels oder Pleuelschafts verlaufen (vorzugsweise ist/sind die Längsachse(n) dieser Längsstreben dabei auch koaxial oder parallel zu der Längsachse des Pleuels oder Pleuelschafts ausgerichtet), weil die Längsachse des Pleuelschafts der Wirkungslinie der Kraft, mit der dieser zumindest primär im Betrieb belastet wird, entsprechen kann.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pleuels mit (mindestens) sechs Längsstreben kann vier eckseitig angeordnete Längsstreben und zwei in Überdeckung und insbesondere parallel zu der Längsachse des Pleuels oder Pleuelschafts verlaufende Längsstreben umfassen. Gegebenenfalls kann es auch vorteilhaft sein, die zwei überdeckenden Längsstreben durch vier nicht-überdeckende Längsstreben zu ersetzen, von denen jeweils zwei in einem relativ geringen Abstand (senkrecht zu der Längsachse des Pleuels oder Pleuelschafts; jeweils bezogen auf die Längsachsen der Längsstreben) zueinander angeordnet sind. Dieser Abstand sollte dabei vorzugsweise ein Drittel des Abstands zwischen den zwei dazugehörigen (bezogen auf dieselbe Querrichtung des Pleuels) eckseitigen Längsstreben nicht überschreiten.
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Eine weitere Verbesserung insbesondere hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit des erfindungsgemäßen Pleuels kann dadurch realisiert werden, dass die Längsstreben und/oder die Querstreben ein anisotropes Werkstoffverhalten aufweisen. Dabei kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass das anisotrope Werkstoffverhalten durch eine höhere Steifigkeit in Längsrichtung der jeweiligen Längs- oder Querstrebe gekennzeichnet ist. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft dem Umstand Rechnung getragen werden, dass ein Pleuel einer Brennkraftmaschine im Wesentlichen mittels Druckkräften, die in Richtung der Längsachse des Pleuels wirken, belastet wird, und weiterhin, dass die Streben von Fachwerken im Wesentlichen auf Zug und Druck belastet werden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pleuels kann vorgesehen sein, dass das erste Drehlagerelement und/oder das zweite Drehlagerelement und/oder der Pleuelschaft aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ausgebildet ist. Ein solcher Metallmatrix-Verbundwerkstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einer Matrix aus einem Metall ein oder mehrere Füllelemente aus einem abweichenden Werkstoff umschließt. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass die Metallmatrix Fasern, beispielsweise aus Kunststoff, Kohlenstoff oder einer Keramik, umschließt. Durch die Verwendung von Füllelementen in Form von Fasern kann insbesondere die mechanische Belastbarkeit für den Pleuel, insbesondere in Richtung der Längserstreckung der Fasern vorteilhaft beeinflusst werden. Bei einer Ausrichtung der Fasern im Wesentlichen in Längsrichtung der Längs- oder Querstreben kann insbesondere deren Zug- und/oder Druckfestigkeit beziehungsweise Drucksteifigkeit erhöht werden, was bezüglich der üblichen Belastung der Streben eines Fachwerks, die im Wesentlichen mittels Zug- und Druckkräften belastet werden, vorteilhaft sein kann.
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Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Längsstreben und/oder die Querstreben zumindest teilweise und zumindest abschnittsweise hohl ausgebildet sind. Dadurch kann ohne relevante negative Beeinflussung der Belastbarkeit das Gewicht für die Längs- und/oder Querstreben im Vergleich zu deren Ausgestaltung in Vollmaterialbauweise reduziert und damit auch in entsprechendem Maße das Gewicht des Pleuels gering gehalten werden.
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Weiterhin kann ein in einer Längs- oder Querstrebe ausgebildeter Hohlraum auch zur Führung eines Fluids, insbesondere eines Schmiermittels, verwendet werden. Hierzu kann besonders bevorzugt vorgesehen sein, dass zumindest eine der Längsstreben hohl ausgebildet ist und dieser Hohlraum eine Schmiermittelzuführungsöffnung des ersten Drehlagerelements mit einer Schmiermittelzuführungsöffnung des zweiten Drehlagerelements fluidleitend verbindet. Bei einer Ausgestaltung des ersten und/oder des zweiten Drehlagerelement in Form eines Pleuelauges kann dann noch vorgesehen sein, dass sich die jeweilige Schmiermittelzuführungsöffnung jeweils von dem diese verbindenden Hohlraum der Längsstrebe bis in die dazugehörige Lageröffnung erstreckt, um insbesondere ein Zuführen des Schmiermittels über die einen Hubzapfen der Kurbelwelle aufnehmende Lageröffnung sowie ein Austreten des Schmiermittels in die einen Lagerzapfen des Kolbens aufnehmende Lageröffnung zu gewährleisten. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Schmierung für die zwischen dem Pleuel und dem Kolben ausgebildete Drehlagerung realisiert werden. Sofern eines der Drehlagerelemente, insbesondere das zur Verbindung mit dem Kolben vorgesehene zweite Drehlagerelement, mit einer außen liegenden Lagerkontaktfläche versehen ist, wie beispielsweise bei dessen Ausgestaltung als (teil-)kugelförmigen Gelenkkopf, kann in entsprechender Weise vorzugsweise vorgesehen sein, dass sich die dazugehörige Schmiermittelzuführungsöffnung bis zu dieser Lagerkontaktfläche erstreckt.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Pleuels kann vorgesehen sein, dass die Längsstreben und/oder die Querstreben zumindest teilweise von einer Hüllstruktur umgeben sind. Durch eine solche Hüllstruktur kann unter anderem vermieden werden, dass sich an den einzelnen Längs- und Querstreben Strömungsverwirbelungen bei einer Bewegung des Pleuels beispielsweise im Betrieb einer den Pleuel umfassenden Brennkraftmaschine ergeben, wodurch ein erhöhtes Betriebsgeräusch und Energieverluste infolge der Strömungsverwirbelungen vermieden werden können. Weiterhin kann dadurch die Stabilität des Pleuels und insbesondere des Pleuelschafts positiv beeinflusst werden. Dies kann insbesondere hinsichtlich der Knickstabilität des Pleuelschafts gelten. Und schließlich kann eine solche Hüllstruktur auch dämpfend wirken, wodurch insbesondere Schwingungsanregungen der Längs- und Querstreben unterdrückt werden können.
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Die Hüllstruktur kann derart ausgebildet sein, dass diese das von dieser begrenzte, die Längs- und/oder Querstreben zumindest abschnittsweise umfassende Innenvolumen vollständig ausfüllt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass in diesem Innenvolumen ein oder mehrere Freiräume ausgebildet sind. Die erste dieser Ausgestaltungen kann sich insbesondere für die Erzielung einer dämpfenden Wirkung durch die Hüllstruktur als vorteilhaft erweisen, während letztere Ausgestaltung dem Ziel einer möglichst leichten Ausgestaltung des Pleuels zugutekommen kann.
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Die Hüllstruktur kann beispielsweise eine Gussstruktur umfassen, die durch Umgießen der Längs- und Querstreben in den entsprechenden Abschnitten mittels eines fließfähigen Gießwerkstoffs und dem anschließenden Aushärten des Gießwerkstoffs ausgebildet werden kann. Eine Gussstruktur kann sich insbesondere als vorteilhaft für die Erzielung einer dämpfenden Wirkung der Hüllstruktur zeigen. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, die Gussstruktur unter Verwendung von mehreren unterschiedlichen Gießwerkstoffen auszubilden (Mehrkomponentenguss), so dass beispielsweise vorgesehen sein kann, eine außenliegende Teilhüllstruktur aus einem Gießwerkstoff auszubilden, der sich durch eine relativ hohe mechanische Belastbarkeit auszeichnet, während eine innerhalb dieser außen liegenden Teilhüllstruktur angeordnete weitere Teilhüllstruktur aus einem Gießwerkstoff ausgebildet sein kann, der sich durch seine vorteilhafte dämpfende Wirkung auszeichnet.
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Die Hüllstruktur kann weiterhin eine Schalenstruktur umfassen, so dass eine, zwei oder eine noch größere Anzahl an (teil-)vorgefertigten Schalenelementen vorgesehen sind, die für die Montage des erfindungsgemäßen Pleuels mit dem entsprechenden Abschnitt des Pleuelschafts verbunden (z.B. verklebt, verschweißt oder verschraubt) werden. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass die Schalenstruktur zumindest einen Abschnitt des Pleuelschafts vollumfänglich und besonders bevorzugt auch vollumfänglich geschlossen umgibt. Eine Hüllstruktur in Form einer Schalenstruktur kann insbesondere eine vorteilhafte Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Pleuels ermöglichen. Eine solche Schalenstruktur kann ebenfalls aus mehreren unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sein, so dass beispielsweise vorgesehen sein kann, eine außenliegende Teilhüllstruktur aus einem Werkstoff auszubilden, der sich durch eine hohe mechanische Belastbarkeit auszeichnet, während eine innerhalb dieser außenliegenden Teilhüllstruktur liegende weitere Teilhüllstruktur aus einem Werkstoff ausgebildet sein kann, der sich durch eine vorteilhafte dämpfende Wirkung auszeichnet.
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Die Hüllstruktur kann zudem eine Folienstruktur umfassen, die durch ein Herumlegen beziehungsweise Herumwickeln einer entsprechend verformbaren Folie um zumindest einen Abschnitt des Pleuelschafts ausgebildet worden ist. Durch die Verwendung einer solchen Folienstruktur kann eine besonders leichte Hüllstruktur und damit auch ein besonders leichter Pleuel realisiert werden. Primäres Ziel der Verwendung einer solchen Folienstruktur kann dann in der Vermeidung von Strömungsverwirbelungen und damit eines unvorteilhaften Betriebsgeräusches sowie von Energieverlusten bei einer Bewegung des Pleuels liegen.
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Die Hüllstruktur sollte zur Erzielung eines möglichst leichten Pleuels aus einem oder mehreren möglichst leichten Werkstoffen ausgebildet sein. Zumindest sollte die Dichte(n) dieses/dieser Werkstoffs/-e geringer als die Dichte(n) des/der metallische(n) Werkstoffe, aus denen die Drehlagerelemente und der Pleuelschaft ausgebildet sind, sein. Vorzugsweise kann die Hüllstruktur aus einem oder mehreren Kunststoffen ausgebildet sein. Dabei sollten diese Kunststoffe beziehungsweise die Werkstoffe der Hüllstruktur im Hinblick auf die erwarteten Belastungen im Betrieb ausreichend thermisch belastbar und/oder chemisch stabil, insbesondere schmiermittelfest, sein.
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Die Belastung der Längs- und/oder der Querstreben bei einer Nutzung des Pleuels beispielsweise im Betrieb einer dieses umfassenden Brennkraftmaschine kann in den Übergängen der Längsstreben in die Drehlagerelemente und/oder in den Übergängen der Querstreben in die durch diese verbundenen Komponenten, insbesondere die Längsstreben, relativ hoch sein. Für eine belastungsgerechte Auslegung der Längs- und/oder der Querstreben, durch die das Gewicht der Längs- und/oder der Querstreben möglichst gering gehalten werden kann, kann daher vorgesehen sein, dass diese zumindest teilweise an ihren Enden sich aufweitend ausgebildet sind.
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Eine erfindungsgemäße (Hubkolben-)Brennkraftmaschine umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Pleuel. Weiterhin kann die Brennkraftmaschine ein Zylinder(kurbel)gehäuse aufweisen, innerhalb dessen ein oder mehrere Zylinder ausgebildet sind, wobei in jedem der Zylinder ein Kolben längsaxial beweglich gelagert ist. Jeder dieser Kolben ist über jeweils ein Pleuel, von denen zumindest eines, vorzugsweise alle erfindungsgemäß ausgebildet sind, mit jeweils einem Hubzapfen einer Kurbelwelle, die in dem Zylinder(kurbel)gehäuse drehbar gelagert ist, verbunden, so dass eine zyklische Linearbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Kurbelwelle (und andersherum) übersetzt werden kann. Die Oberseiten der Kolben können mit Abschnitten der Zylinder und einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine jeweils einen Brennraum begrenzen, in denen zeitweise ein Kraftstoff-Frischgas-Gemisch verbrannt wird, so dass mittels der dadurch erzeugten Druckerhöhung in dem jeweiligen Brennraum der dazugehörige Kolben angetrieben wird.
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Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine können die Belastungen, die auf die einzelnen Pleuel wirken, insbesondere infolge der unterschiedlichen räumlichen Integration in das Zylinder(kurbel)gehäuse variieren. Für eine möglichst belastungsgerechte Auslegung der einzelnen Pleuel kann daher vorzugsweise vorgesehen sein, dass diese entsprechend unterschiedlich ausgebildet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Pleuels wird dies in relativ einfacher Weise ermöglicht.
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Im Vergleich zu einem konventionellen Pleuel mit einem im Wesentlichen aus einem Vollmaterial bestehenden Pleuelschaft weist ein erfindungsgemäßer Pleuel eine relativ komplexe Struktur auf, was sich negativ auf dessen Herstellbarkeit auswirken kann. Vorteilhaft herstellbar kann ein erfindungsgemäßer Pleuel sein, wenn dieser zumindest teilweise durch Gießen und/oder durch ein generatives Fertigungsverfahren (z.B. selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen) ausgebildet wird.
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Ebenfalls vereinfachen lässt sich die Herstellbarkeit eines erfindungsgemäßen Pleuels, wenn das erste Drehlagerelement und/oder das zweite Drehlagerelement und/oder die Längsstreben und/oder die Querstreben als Halbzeuge bereitgestellt und miteinander verbunden werden. Dabei kann weiterhin bevorzugt die Verbindung zwischen den Halbzeugen durch die Ausbildung jeweils eines gegossenen und/oder generativ hergestellten oder herzustellenden Verbindungsabschnitts erfolgen oder zumindest verstärkt werden.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1: eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine;
- 2: eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pleuels in einer ersten Seitenansicht;
- 3: der Pleuel gemäß der 2 in einer zweiten Seitenansicht;
- 4: eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pleuels in einer ersten Seitenansicht; und
- 5: der Pleuel gemäß der 3 in einer zweiten Seitenansicht.
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Die 1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 10. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 12, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als vierzylindriger (Reihen-)Hubkolbenmotor ausgebildet ist und beispielsweise nach dem Otto- oder Diesel-Prinzip betrieben werden kann. Dazu sind in einem Zylinderkurbelgehäuse 14 Zylinder 16 ausgebildet, in denen Kolben 18 längsaxial bewegbar gelagert sind. Eine durch Verbrennungsprozesse bewirkte Bewegung der Kolben 18 wird über Pleuel 20 auf eine in dem Zylinderkurbelgehäuse 14 drehbar gelagerte Kurbelwelle 22 übertragen. Diese Rotation der Kurbelwelle 22 kann auf angetriebene Räder eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) übertragen werden. Die Brennkraftmaschine 10 kann somit zur Erzeugung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug dienen.
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Eine Rotation der Kurbelwelle 22 wird zudem mittels eines Steuertriebs 24, beispielsweise in Form eines Zahnriemen- oder Kettentriebs, auf eine in einem Zylinderkopfgehäuse 26 des Verbrennungsmotors 12 drehbar gelagerte erste Nockenwelle 28 übertragen. Bei dieser ersten Nockenwelle 28 kann es sich um eine Einlassnockenwelle handeln, mittels der Einlassventile 30 betätigt werden, über die Frischgas in Brennräume, die von den Zylindern 16, den Kolben 18 sowie dem Zylinderkopfgehäuse 26 begrenzt sind, gesteuert eingebracht werden kann. Dabei wird dieses Frischgas mit direkt in die Brennräume eingespritztem Kraftstoff verbrannt, um die durch die Kurbelwelle 22 gesteuerte Bewegung der Kolben 18 innerhalb der Zylinder 16 zu bewirken.
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Mittels eines Zahnradgetriebes 32 (mit einer Übersetzung von eins) wird eine Drehbewegung der ersten Nockenwelle 32 auf eine zweite Nockenwelle (nicht sichtbar), bei der es sich dann um eine Auslassnockenwelle des Verbrennungsmotors 10 handeln kann, übertragen. Diese zweite Nockenwelle betätigt demnach Auslassventile (nicht sichtbar), durch die Abgas, das bei einer Verbrennung des Kraftstoff-Frischgas-Gemisches in den Brennräumen erzeugt wurde, gesteuert abgeführt werden kann.
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Mittels einer Kraftstoffpumpe (nicht dargestellt) wird Injektoren 34 des Verbrennungsmotors 12 Kraftstoff aus einem Kraftstofftank (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine 10 zugeführt. Mittels der Injektoren 34 wird der Kraftstoff dann unter relativ hohem Druck und zu vorgegebenen Zeitpunkten in die Brennräume eingespritzt.
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Die 2 und 3 zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pleuels 20, wie er in identischer oder leicht abgewandelter Form für einzelne oder sämtliche der Pleuel 20 der Brennkraftmaschine 10 gemäß der 1 eingesetzt werden kann.
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Der Pleuel 20 umfasst ein erstes Drehlagerelement 36 in Form eines (großen) Pleuelauges, das eine Lageröffnung 38 ausbildet, in der ein Hubzapfen 40 einer Kurbelwelle 22 drehbar gelagert werden kann. Der Pleuel 20 umfasst weiterhin ein zweites Drehlagerelement 42 in Form eines (kleinen) Pleuelauges, das ebenfalls eine Lageröffnung 44 ausbildet, in der ein Lagerzapfen eines Kolbens 18 drehbar gelagert werden kann. Das große Pleuelauge 36 und/oder das kleine Pleuelauge 42 können ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Eine mehrteilige Ausbildung kann beispielsweise einen äußeren Grundkörper sowie eine innerhalb des Grundkörpers aufgenommene, die jeweilige Lageröffnung 38, 44 ausbildende Lagerhülse umfassen
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Die drehbare Lagerung des Lagerzapfen des Kolbens 18 in dem kleinen Pleuelauge 42 ermöglicht ein Schwenken des Pleuels 20 um diesen Lagerzapfen. Die Drehachse entspricht dabei der Längsachse 54 der Lageröffnung des kleinen Pleuelauges. Diese Schwenkbarkeit ist nötig, damit das große Pleuelauge 36 bei einer Rotation der Kurbelwelle 22 auf der von dem dazugehörigen Hubzapfen 40 beschriebenen Kreisbahn bewegt werden kann, wobei sich der Hubzapfen 40 innerhalb der Lageröffnung 38 des großen Pleuelauges 36 dreht. Die Drehachse entspricht dabei der Längsachse 56 der Lageröffnung 38 des großen Pleuelauges 36. Die Längsachsen 54, 56 der beiden Lageröffnungen 38, 44 sind parallel ausgerichtet.
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Die beabstandet voneinander angeordneten Pleuelaugen 36, 42 sind mittels eines in einer Fachwerkstruktur ausgebildeten Pleuelschafts 46 miteinander verbunden. Der Pleuelschaft 46 weist hierzu eine Mehrzahl von, im vorliegenden Ausführungsbeispiel konkret acht Längsstreben 48 auf, die (beziehungsweise ihre jeweiligen Längsachsen) bezüglich einer Breitenrichtung (entspricht der in der 2 erkennbaren, senkrecht zur Längsrichtung beziehungsweise Längsachse 50 des Pleuels 20 ausgerichteten Richtung) in mehreren, konkret vier Ebenen sowie bezüglich einer Tiefenrichtung (entspricht der in der 3 erkennbaren, senkrecht zur Längsrichtung beziehungsweise Längsachse 50 des Pleuels 20 ausgerichteten Richtung) in mehreren, konkret zwei Ebenen angeordnet sind. Dabei ist die Anordnung der vier Ebenen in Breitenrichtung derart, dass die bezüglich der Längsachse 50 des Pleuels 20 jeweils auf einer Seite gelegenen Ebenen im Wesentlichen parallel verlaufen, während sich die Ebenen der zwei Seiten ausgehend von dem großen Pleuelauge 36 hin zu dem kleinen Pleuelauge 42 einander annähern. Gleiches gilt für die zwei Ebenen in Tiefenrichtung, die sich ebenfalls ausgehend von dem großen Pleuelauge 36 hin zu dem kleinen Pleuelauge 42 einander annähern.
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Für eine möglichst hohe mechanische Belastbarkeit des Pleuels 20 kann vorgesehen sein, dass die zwei äußersten Ebenen, sowohl in Breiten- als auch in Tiefenrichtung, möglichst nah an dem jeweiligen Ende des kleinen Pleuelauges 42 und des großen Pleuelauges 36 in diese übergehen.
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Die Längsstreben 48 des Pleuelschafts 46 sind mittels einer Vielzahl von Querstreben 52 direkt oder indirekt miteinander verbunden. Dabei verlaufen die Längsachsen einiger der Querstreben 52 senkrecht bezüglich der Längsachse 50 des Pleuels 20 (diese entspricht der Längsachse 50 des Pleuelschafts 46), während andere schräg, insbesondere in einem Winkel von ca. 45° dazu ausgerichtet sind. Ein Teil dieser schräg ausgerichteten Querstreben 52 ist wiederum derart angeordnet, dass diese jeweils diagonal innerhalb eines dazugehörigen Fachs, das von jeweils zwei benachbarten Längsstreben 48 und zwei benachbarten Querstreben 52 ausgebildet ist, verlaufen.
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Die Ausgestaltung des Pleuelschafts 46 in Form einer Fachwerkstruktur führt zu einem Pleuel 20, dass strukturell relativ steif ausgebildet ist und gleichzeitig ein relativ geringes Gewicht aufweist. Ein geringes Gewicht wirkt sich vorteilhaft auf das Betriebsverhalten einer einen solchen Pleuel 20 integrierenden Brennkraftmaschine 10, wie beispielsweise die Brennkraftmaschine 10 gemäß der 1, aus. Sind zudem, wie erfindungsgemäß vorgesehen, der Pleuelschaft 46 und vorzugsweise auch die Pleuelaugen 36, 42 zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, kann ein Pleuel 20 für eine Brennkraftmaschine 10 geschaffen werden, der trotz eines relativ geringen Gewichts nicht nur mechanisch sondern auch thermisch hoch belastbar ist und damit den heutigen Anforderungen an einen Pleuel 20 für eine Brennkraftmaschine 10 gerecht wird.
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Die 4 und 5 zeigen eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Pleuels 20, wie er in identischer oder leicht abgewandelter Form für einzelne oder sämtliche der Pleuel 20 der Brennkraftmaschine 10 gemäß der 1 eingesetzt werden kann.
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Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen gemäß den 2 und 3 im Wesentlichen ausschließlich dadurch, dass anstelle von acht nur sechs Längsstreben 48 vorgesehen sind. Dabei sind neben den vier eckseitigen Längsstreben 48 noch zwei Längsstreben 48 vorgesehen, deren Längsachsen bezüglich der Tiefenrichtung des Pleuels 20 in einer Ebene angeordnet sind, in der auch die Längsachse 50 des Pleuels 20 beziehungsweise des Pleuelschafts 46 verläuft.
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Eine Herstellung der Pleuel 20 kann auf unterschiedliche Weisen, vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Gießprozesse und/oder eines oder mehrerer generativer Fertigungsprozesse und/oder unter Verwendung von Halbzeugen erfolgen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den gesamten Pleuel (gegebenenfalls mit Ausnahme der Lagerschalen der Pleuelaugen 36, 42) in einteiliger Form als Gussbauteil aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise einer Leichtmetall- und insbesondere einer Aluminiumlegierung, auszuführen. Dies kann jedoch wegen der relativ komplexen Fachwerkstruktur des Pleuelschafts 46 mit den sich daraus für einen Gießprozess ergebenden Hinterschnitten relativ aufwändig und damit teuer sein. Ebenso kann es möglich sein, den gesamten Pleuel 20 (gegebenenfalls mit Ausnahme der Lagerschalen der Pleuelaugen 36, 42) in einteiliger Form mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens, selektiven Lasersinterns oder Elektronenstrahlschmelzens, die zu der vorzugsweise vorgesehenen Untergruppe der sogenannten Pulverbettverfahren gehören, herzustellen. Weiterhin kann es möglich sein, einzelne Komponenten des Pleuels 20, wie beispielsweise die Pleuelaugen 36, 42 und gegebenenfalls auch die Längsstreben 48 und/oder die Querstreben 52 in Form von Halbzeugen beziehungsweise vorab hergestellten Komponenten bereitzustellen, die auf beliebige Art und Weise miteinander verbunden werden. Eine Herstellung dieser Halbzeuge kann wiederum beispielsweise unter Verwendung eines Gieß- oder eines generativen Fertigungsprozesses erfolgen. Für eine Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten können auch separate Verbindungselemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die wiederum vorteilhaft durch Gießen oder ein generatives Fertigungsverfahren hergestellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Zylinderkurbelgehäuse
- 16
- Zylinder
- 18
- Kolben
- 20
- Pleuel
- 22
- Kurbelwelle
- 24
- Steuertrieb
- 26
- Zylinderkopfgehäuse
- 28
- erste Nockenwelle
- 30
- Einlassventil
- 32
- Zahnradgetriebe
- 34
- Injektor
- 36
- erstes Drehlagerelement / großes Pleuelauge
- 38
- Lageröffnung des ersten Drehlagerelements / großen Pleuelauges
- 40
- Hubzapfen
- 42
- zweites Drehlagerelement / kleines Pleuelauge
- 44
- Lageröffnung des zweiten Drehlagerelements / kleinen Pleuelauges
- 46
- Pleuelschaft
- 48
- Längsstrebe
- 50
- Längsachse des Pleuels / Pleuelschafts
- 52
- Querstrebe
- 54
- Längsachse der Lageröffnung des kleinen Pleuelauges
- 56
- Längsachse der Lageröffnung des großen Pleuelauges
