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Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem amerikanischen Patent
US 5,673,666 , von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist ein gattungsgemäßer Pleuel für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine bekannt. Der Pleuel weist einen Pleuelschaft auf, an den einerseits ein kleines Pleuelauge und andererseits ein großes Pleuelauge angeformt sind. Weiter weist der Pleuelschaft vom kleinen Pleuelauge zum großen Pleuelauge hin einen stetigen Krümmungsverlauf zu einer größeren Breite und in seinem Mittenbereich eine schwächere Materialstärke als in seinem Randbereich auf. Weiter besteht der Mittenbereich des Pleuelschaftes aus einem anderen Material als der Rest des Pleuels.
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Nachteilig an der bekannten Ausgestaltung des Pleuels ist eine sehr punktförmige Krafteinleitung mit hoher Pressung auf den Hubzapfen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine nach einem Verbrennungsvorgang.
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Zum technischen Umfeld wird weiter auf die Europäische Patentanmeldung
EP 1 450 056 A2 hingewiesen, aus der ebenfalls ein gattungsgemäßer Pleuel bekannt ist. Auch dieser Pleuel weist ein großes Pleuelauge sowie ein kleines Pleuelauge auf, wobei der Pleuelschaft in seinem Mittenbereich ebenfalls dünner ausgeformt ist als in seinem Randbereich.
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Auch dieser Pleuel weist den Nachteil einer punktförmigen Krafteinleitung vom Pleuel auf den Hubzapfen einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine geometrische Ausgestaltung für ein Pleuel aufzuzeigen, mit einer wesentlich geringeren Flächenpressung auf den Hubzapfen einer Kurbelwelle.
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Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Pleuels ergibt sich ein geringeres Bauteilgewicht bei gleich hohen Sicherheiten bezüglich der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit. Weiter wird eine breitere Pressungsverteilung im großen Pleuelauge auf den Hubzapfen der Kurbelwelle, somit eine niedrigere Spitzenpressung und weiter eine erhöhte Lagerlebensdauer erzielt. Darüber hinaus ist der Einsatz günstigerer Pleuellagerschalen möglich. In vorteilhafter Weise kann die Lagerbreite aufgrund der erfindungsgemäßen Ausformung verschmälert werden, wodurch die Kurbelwelle steifer ausgelegt werden kann, was insgesamt zu einer besseren Gesamtakustik führt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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So wird der Pressungsbereich zwischen großem Pleuelauge und dem Hubzapfen der Kurbelwelle mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 und 3 nochmals vergrößert, wodurch die Flächenpressung nochmals verringert wird.
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Die Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 haben sich in den Festigkeitsversuchen als besonders positiv herausgestellt.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand des Standes der Technik in vier Figuren näher erläutert.
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1 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Pleuel mit eingezeichnetem Kraftfluss vom kleinen Pleuelauge zum großen Pleuelauge.
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2 zeigt eine Aufsicht auf ein großes Pleuelauge eines Pleuels gemäß dem Stand der Technik mit einer Pressungsverteilung.
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3 zeigt eine Aufsicht auf ein großes Pleuelauge eines erfindungsgemäßen Pleuels mit einer Pressungsverteilung.
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4 zeigt eine bevorzugte Dimensionierung des erfindungsgemäßen Pleuels.
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Im Folgenden gelten in den 1 bis 4 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.
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1 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Pleuel 1 mit einem mit Pfeilen schematisch dargestellten Kraftfluss von einem kleinen Pleuelauge 3 zu einem großen Pleuelauge 4 für eine nicht dargestellte Hubkolben-Brennkraftmaschine. Der Pleuel 1 weist einen Pleuelschaft 2 auf, an den einerseits das kleine Pleuelauge 3 und andererseits das große Pleuelauge 4 angeformt ist. Das kleine Pleuelauge 3 dient zur Aufnahme eines Kolbenbolzens für einen Kolben der Hubkolben-Brennkraftmaschine und das große Pleuelauge 4 dient zur Aufnahme und Lagerung eines Hubzapfens einer ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle.
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Der Pleuelschaft 2 weist vom kleinen Pleuelauge 3 zum großen Pleuelauge 4 einen stetigen Krümmungsverlauf zu einer größeren Breite hin und in seinem Mittenbereich 2' eine schwächere Materialstärke als in einem Randbereich 2'' auf. Der Kraftfluss beim Betrieb der Hubkolben-Brennkraftmaschine vom kleinen Pleuelauge 3 zum großen Pleuelauge 4 ist, wie oben bereits beschrieben, mit dicken Pfeilen entlang dem Randbereich 2'' schematisch dargestellt. Um einen möglichst großen Pressungsbereich 7 (dargestellt in 2 und 3) zu erzielen, ist ein Dachbereich 5 des großen Pleuelauges 4 erfindungsgemäß in Richtung des kleinen Pleuelauges 3 im Wesentlichen homogen steif ausgeführt. Unter homogen steif wird verstanden, dass der Querschnitt des Dachbereiches 5 in zur X-Z-Ebene (Koordinaten links neben 1) parallelen Ebenen im Wesentlichen konstant bleibt, bzw. in Richtung zum Übergang in den Randbereich 2'' ansteigt.
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Eine weitere Vergrößerung des Pressungsbereichs 7 wird dadurch erzielt, dass der Dachbereich 5 in seinem Mittenbereich in Richtung des großen Pleuelauges 4 eingezogen ist, d. h. eine Dachhöhe ist in der Mitte kleiner als in den zwei Randbereichen. Weiter wird für eine möglichst breite Krafteinleitung auf den Hubzapfen der Kurbelwelle ein äußerer Dachbereich in Richtung Randbereich 2'' extrem steif, bzw. verdickt ausgeführt.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist auch bei dem erfindungsgemäßen Pleuel 1 das große Pleuelauge 4 geteilt ausgeführt, wobei eine Montage mittels zwei Pleuelschrauben 6 erfolgt.
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2 zeigt eine Aufsicht auf ein großes Pleuelauge 4 eines konventionellen Pleuels 1. Die Ansicht ist von halbunten dargestellt, um den Pressungsbereich 7, der auf den Hubzapfen der Kurbelwelle wirkt, sichtbar zu machen. Die unterschiedlichen Presskräfte sind durch Umhüllende dargestellt. Wie in 2 zu erkennen ist, verteilt sich der Pressungsbereich 7 weitgehend oval auf den dickenreduzierten Mittenbereich 2' des Pleuelschaftes 2. Auch ist in 2 erkennbar, dass aus dem Randbereich 2'' des Pleuelschafts 2 praktisch keine Kräfte in das große Pleuelauge 4 eingeleitet werden.
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3 zeigt die gleiche Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Pleuel 1 wie 2. Im Gegensatz zu 2 ist der Pressungsbereich 7 für das erfindungsgemäße Pleuel nun deutlich in Richtung der Randbereich 2'' des Pleuelschaftes 2 verteilt. Wie weiter in 3 erkennbar ist, ist für das erfindungsgemäße Pleuel 1 die maximale Pressung deutlich geringer als für den konventionellen Pleuel 1 in 2.
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4 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Pleuel 1 im Bereich des Pleuelschafts 2 sowie der Hälfte des großen Pleuelauges 4. Geschnitten dargestellt ist der Mittenbereich 2' des Pleuelschaftes 2 und im Hintergrund ist der dickere Randbereich 2'' erkennbar. Das kleine Pleuelauge 3 ist nicht dargestellt. Besonders gute Pressungsresultate haben sich in Versuchen ergeben, wenn ein Übergang vom Mittenbereich 2' zum Dachbereich 5 mit einem Radius zwischen dem 0,3 bis 0,6-fachen, insbesondere dem 0,5-fachen einer Randbereichsstärke ausgeführt ist. Als besonders Vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Mittenbereich 2' eine Materialstärke von 0,1 bis zum 0,2-fachen einer Materialstärke des großen Pleuelauges 4 aufweist.
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Mit anderen Worten ausgedrückt:
Die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Pleueldesigns sind:
- – Außenkontur:
stetiger Krümmungsverlauf, dies mildert Spannungsspitzen bei Zünddrucklastfall (Kraft F in Z-Richtung);
- – Kontinuierliche Verbreiterung des Schafts zum großen Pleuelauge 4 hin, dies bedeutet eine breitere Druckkrafteinleitung in das große Pleuelauge 4;
- – In X-Richtung dünnwandiger Mittensteg leitet kaum Druckkräfte (Druckweich) und begünstigt so die dezentrale Kraftführung über die Außengurte (Randbereich 2'');
- – Um die X-Achse ein besonders biegesteifes „Dach” des großen Pleuelauges 4: dies bedeutet die Kräfte in Z-Richtung werden über die Außengurte (Randbereiche 2'') des Pleuelschafts 2 eingeleitet und werden so über das ganze „Dach” verteilt und treten nicht als Punktlasten auf.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Pleuels 1 ergibt sich ein geringeres Bauteilgewicht bei gleich hohen Sicherheiten bezüglich der Festigkeit und Dauerhaltbarkeit. Weiter wird eine breitere Pressungsverteilung im großen Pleuelauge 4 auf den Hubzapfen der Kurbelwelle, somit eine niedrigere Spitzenpressung und weiter eine erhöhte Lagerlebensdauer erzielt. Darüber hinaus ist der Einsatz günstigerer Pleuellagerschalen möglich. In vorteilhafter Weise kann die Lagerbreite aufgrund der erfindungsgemäßen Ausformung verschmälert werden, wodurch die Kurbelwelle steifer ausgelegt werden kann, was insgesamt zu einer besseren Gesamtakustik führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pleuel
- 2
- Pleuelschaft
- 2'
- Mittenbereich
- 2''
- Randbereich
- 3
- kleines Pleuelauge
- 4
- großes Pleuelauge
- 5
- Dachbereich
- 6
- Pleuelschraube
- 7
- Pressungsbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5673666 [0002]
- EP 1450056 A2 [0004]
