DE102017116638A1

DE102017116638A1 - Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel dieses Pleuels

Info

Publication number: DE102017116638A1
Application number: DE102017116638.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zwahr; Jan Pfannenmüller; Michael Knorr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pleuel (1) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher eine Verstelleinrichtung (2) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Brennkraftmaschine mittels einer Verstellung einer effektiven Pleuelschaftlänge aufweist, wobei ein Exzenterhebel (3) der Verstelleinrichtung (2) axial zwischen zwei Wange (4a, 4b) eines Pleuelauges (4) angeordnet ist, wobei ein als Wellenzapfen mit einer exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenbohrung (8) ausgebildeter Exzenterkörper (7) in dem Pleuelauge (4) drehbar gelagert angeordnet sowie in einer Exzenterbohrung (6) des Exzenterhebels (3) mit diesem verbunden ist, und bei dem über einen in die Kolbenbolzenbohrung (8) eingefügten Kolbenbolzen (9) eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge (4) und einem Arbeitskolben der Zylindereinheit herstellt ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen Exzenterkörper (7) und Exzenterhebel (3) als ein kraft- und formschlüssiger Rändelpressverband (10) ausgebildet ist, welcher durch Längspressen der beiden Fügepartner Exzenterkörper (7) und Exzenterhebel (3) hergestellt ist, wobei einer der beiden Fügepartner mit einer größeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als Werkzeug fungiert, und der andere Fügepartner mit einer im Vergleich dazu geringeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als durch das Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück fungiert, und wobei zumindest an dem als Werkzeug fungierenden Fügepartner eine Längsrändelung ausgebildet ist, mittels der eine entsprechende Gegenrändelung an dem als Werkstück fungierenden Fügepartner in einem Längspressvorgang erzeugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pleuel einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher eine Verstelleinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels einer Verstellung einer effektiven Pleuelschaftlänge aufweist, wobei ein Exzenterhebel der Verstelleinrichtung axial zwischen einer ersten Wange und einer zweiten Wange eines Pleuelauges angeordnet ist, wobei ein als Wellenzapfen mit einer exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenbohrung ausgebildeter Exzenterkörper in dem Pleuelauge drehbar gelagert angeordnet sowie in einer Exzenterbohrung des Exzenterhebels mit diesem verbunden ist, und bei dem über einen in die Kolbenbolzenbohrung eingefügten Kolbenbolzen eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge und einem Arbeitskolben der Zylindereinheit herstellt ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel eines solchen Pleuels.
Bei einer Hubkolbenbrennkraftmaschine kann durch eine motorlastabhängige Variierung des Verdichtungsverhältnisses ε, welches durch das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraums einer Zylindereinheit zum Volumen des Kompressionsraums definiert wird, der Wirkungsgrad gesteigert und folglich der Kraftstoffverbrauch verringert werden. Bei einem VCR-Pleuel (engl.: Variable Compression Ratio) kann zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε die Lage eines Arbeitskolbens der Zylindereinheit zur Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine durch Verstellen einer effektiven Pleuelschaftlänge, welche durch den Abstand zwischen einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle (großes oder unteres Pleuelauge) und einem mit dem Arbeitskolben verbundenen Kolbenbolzen (kleines oder oberes Pleuelauge) definiert wird, verstellt werden.
Bei einer derartigen Verstelleinrichtung steht das Pleuel über einen am oberen Pleuelauge angeordneten Exzenterkörper mit dem Arbeitskolben in Verbindung, wobei in der Regel der Exzenterkörper als ein im Pleuelauge verdrehbarer Wellenzapfen ausgebildet ist, welcher in einer exzentrischen Bohrung über ein Kolbenbolzenlager den Kolbenbolzen aufnimmt. Der Exzenterkörper ist mit einem Exzenterhebel drehfest verbunden, welcher beispielsweise über eine oder zwei an dem Exzenterhebel angelenkte Hebelstangen mittels einer elektrisch ansteuerbaren Aktuatorik zwischen einer ersten Endstellung, entsprechend einer ersten effektiven Pleuelschaftlänge für eine niedrige Verdichtung, und einer zweiten Endstellung, entsprechend einer zweiten effektiven Pleuelschaftlänge für eine hohe Verdichtung, verstellbar ist.
Der Exzenterkörper besitzt an seinem Außendurchmesser üblicherweise Passflächen, die als Gleitlagerstellen im Pleuelauge dienen, sowie einen Bereich, der für die Drehmomentübertragung des Exzenterhebels auf den Exzenterkörper verwendet wird. Für die Verbindung zwischen dem Exzenterkörper und dem Exzenterhebel kam bisher meistens eine Passverzahnung, wie beispielsweise sie in der DE 10 2005 055 199 A1 beschrieben ist, oder alternativ dazu ein Schweißverband, wie er beispielsweise aus der DE 10 2013 014 090 A1 bekannt ist, zum Einsatz. Als eine weitere Alternative dazu hat die Anmelderin bereits eine Presslötverbindung vorgeschlagen. Eine Schweißverbindung hat den Nachteil, dass die Werkstoffanforderungen hinsichtlich der Schweißbarkeit einerseits und für eine günstige Fertigung der Gleitlagerflächen andererseits konträr sind. Zudem können bei einem Schweißprozess an einer Pleuelbaugruppe Risse und Lunker entstehen sowie Verschmutzungen eingetragen werden. Eine Passverzahnungsverbindung ist hingegen unkritisch hinsichtlich der Werkstoffauswahl, jedoch ist die Fertigung zweier präziser Verzahnungen in Großserien aufwendig und teuer. Eine Verzahnung ist zudem in der Regel spielbehaftet. Bei einer Presslötverbindung wird eine Lotschicht aufgetragen, welche beim Presslöten den Durchmesser der Kolbenbolzenbohrung lokal beeinflussen kann.
Vor diesem Hintergrund lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Pleuel der genannten Art vorzustellen, bei dem die beschriebenen Nachteile nicht auftreten. Insbesondere soll eine vom Herstellungs- und Kostenaufwand günstigere Verbindung zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel geschaffen werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen verbesserten Verbindung zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel bei dem Pleuel vorzustellen.
Die Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den Zeichnungen entnehmbar sind.
Unter der kurzen Bezeichnung „Pleuelauge“ wird, falls nicht ausdrücklich anders bezeichnet, nachfolgend stets das von der Kurbelwelle entfernt liegende, also dem Arbeitskolben zugewandte, üblicherweise kleinere der beiden Pleuelaugen eines Pleuels, häufig auch als oberes Pleuelauge bezeichnet, verstanden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe hinsichtlich der Schaffung eines Pleuels sieht die Erfindung vor, dass die Verbindung zwischen dem Exzenterkörper und dem Exzenterhebel als ein kraft- und formschlüssiger Rändelpressverband ausgebildet ist, welcher durch Längspressen der beiden Fügepartner Exzenterkörper und Exzenterhebel hergestellt ist, wobei einer der beiden Fügepartner mit einer relativ größeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als Werkzeug fungiert, und der andere der beiden Fügepartner mit einer im Vergleich dazu geringeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als durch das Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück fungiert, und wobei zumindest an dem als Werkzeug fungierenden Fügepartner eine Längsrändelung vorgefertigt ausgebildet ist, mittels der eine entsprechende Gegenrändelung an dem als Werkstück fungierenden Fügepartner in einem Längspressvorgang erzeugt ist.
Unter einer Längsrändelung wird eine zumindest im Wesentlichen in Axialrichtung verlaufende Rändelung verstanden.
Durch den Rändelpressverband ist zwischen dem Exzenterkörper (Welle) und dem Exzenterhebel (Nabe) eine kraft- und formschlüssige sowie damit in sich verdrehsichere Welle-Nabe-Verbindung geschaffen, die sehr hohe Drehmomente übertragen kann. Die Verbindung ist außerdem spielfrei. Die Fertigung der Bauteile der Verbindung ist relativ einfach und kostengünstig. Eine Presspassung zwischen dem Exzenterkörper und dem Exzenterhebel kann durch einfaches Längspressen der beiden Fügepartner bei der Montage des VCR-Pleuels erzeugt werden. Dazu kann der Exzenterhebel oder der Exzenterkörper als Werkzeug fungieren und eine vorgefertigte Längsrändelung tragen, mittels der an dem anderen Fügepartner eine passgenaue Gegenrändelung erzeugt werden kann.
Grundsätzlich kann die Geometrie der Längsrändelung frei gewählt werden. Als Rändelformen können beispielsweise Profile von Evolventenverzahnungen oder anderen Normverzahnungen genutzt werden. Geeignete geometrische Profile können auch frei konzipiert werden. Dabei hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass sich in jedem Fall mit Flankenwinkeln der Rändel von bis zu 45° besonders haltbare Rändelpressverbände eher erreichen lassen als mit Rändelungen mit größeren Flankenwinkeln. Im Vergleich zu einer passgenauen, fertigungs- und kostenaufwendigen Verzahnungsverbindung ist für einen Rändelpressverband keine besonders hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Rändelpressverband eine Verzahnungsgeometrie aufweist, wobei die Zähne abgerundete, spitze oder plateauförmige Zahnköpfe aufweisen. Eine Zahnform mit einem Plateau vereinfacht eine gute Zentrierung der beiden Fügepartner, da jeweils ein flächiges Zahnplateau auf eine zylindrische Führungsfläche neben einer Fügefläche während des Fügevorgangs der Fügepartner trifft. Eine spitze Zahnform ist vorteilhaft, wenn besonders hohe Drehmomente über die Verbindung zwischen dem Exzenterkörper und dem Exzenterhebel übertragen werden sollen. Diese Zahnform ist zudem vorteilhaft, wenn der zu bearbeitende Fügepartner eine vergleichsweise hohe Werkstoffhärte aufweist. Ein spitzer Zahn kann sich in diesem Fall leichter in die Gegenfläche einarbeiten. Eine abgerundete Zahnform ist in der Herstellung besonders kostengünstig und verhält sich sehr robust im Fügeprozess.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der als Werkzeug fungierende Fügepartner, nämlich der Exzenterkörper oder der Exzenterhebel, eine solche vorgefertigte Längsrändelung aufweist, welche durch mehrere an einer Mantelfläche des Werkzeugs axial parallel laufende Rillen gebildet ist, und dass der als Werkstück fungierende andere Fügepartner, nämlich der Exzenterkörper oder der Exzenterhebel, eine solche vorgefertigte Umfangsrändelung aufweist, welche durch mehrere an einer Mantelfläche des Werkstücks umfänglich parallel laufende Rillen gebildet ist.
Im einfachsten und kostengünstigsten Fall kann der als Werkstück zu bearbeitende Fügepartner eine glatte zylindrische Mantelfläche aufweisen, in die der als Werkzeug wirkende Fügepartner mit seiner vorgefertigten Längsrändelung durch Materialumformen oder Materialabtragen eine geometrisch kongruente Gegenrändelung in einem Längspressvorgang prägt oder fräst. Das Rillenprofil der Längsrändelung ist vorzugsweise zahnförmig. Das heißt, anfangs trägt nur einer der beiden Fügepartner, nämlich das Werkzeug, eine Rändelung, welche vorzugsweise das Profil einer Verzahnung aufweist. Ein dadurch erzeugter Rändelpressverband weist bereits eine höhere Drehmomentübertragungsfähigkeit im Vergleich zu einem einfachen reinen Pressverband zweier glatter zylindrischer Oberflächen auf.
Um eine noch höhere Drehmomentübertragungsfähigkeit der Verbindung zu erreichen, kann zusätzlich in die Mantelfläche des zu bearbeitenden Fügepartners in einer Vorfertigung bereits eine Umfangsrändelung eingebracht worden sein. An das Rillenprofil einer solchen Umfangsrändelung werden grundsätzlich keine besonderen Anforderungen gestellt. Vorzugsweise sollte allerdings der Kopfkreis dieser Umfangsrändelung des Werkstücks größer als der Fußkreis der Längsrändelung des Werkzeugs sein, und der Fußkreis der Umfangsrändelung des Werkstücks sollte kleiner als der Kopfkreis der Längsrändelung des Werkzeugs sein. Dadurch ergibt sich bei dem Längspressen der beiden Fügepartner ein besonders drehfester Rändeleingriff.
Wie erwähnt betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel eines Pleuels einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher eine Verstelleinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels einer Verstellung einer effektiven Pleuelschaftlänge aufweist, wobei der Exzenterhebel der Verstelleinrichtung axial zwischen einer ersten Wange und einer zweiten Wange eines Pleuelauges angeordnet wird, wobei der als Wellenzapfen mit einer exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenbohrung ausgebildete Exzenterkörper in dem Pleuelauge drehbar gelagert eingesetzt und in einer Exzenterbohrung des Exzenterhebels mit demselben verbunden wird, und wobei über einen in die Kolbenbolzenbohrung einfügbaren Kolbenbolzen eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge und einem Arbeitskolben der Zylindereinheit herstellt wird.
Gemäß der Erfindung ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass zwischen dem Exzenterkörper und dem Exzenterhebel ein Rändelpressverband hergestellt wird, wobei folgende Montageschritte durchgeführt werden:

a) Einfügen des Exzenterhebels der Verstelleinrichtung zwischen die beiden Wangen des Pleuelauges,
b) stirnseitiges Einsetzen des Exzenterkörpers in eine Wange des Pleuelauges und Ausrichten der Fügepartner Exzenterkörper und Exzenterhebel zueinander, sowie
c) axiale Montage des Exzenterkörpers durch Längspressen der beiden Fügepartner Exzenterkörper und Exzenterhebel, wobei einer der beiden Fügepartner mit einer vorgefertigten Längsrändelung als ein Werkzeug genutzt wird, mittels dem in einem Längspressvorgang an dem anderen der beiden Fügepartner durch plastisches Verformen und/oder durch Materialabtrag eine dazu geometrisch kongruente Gegenrändelung erzeugt wird.

Durch das Verpressen des Exzenterkörpers im Exzenterhebel wird der Exzenterkörper mit einer hohen Haltekraft in dem Exzenterhebel fixiert. Da der eine Fügepartner als Werkzeug genutzt wird, der den anderen Fügepartner bearbeitet, müssen die beiden Fügepartner unterschiedliche Werkstoffhärten aufweisen. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass für den Längspressvorgang des Verfahrens ein Härteunterschied mit einer um mindestens 50 HV (Vickershärte) größeren Härte des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück von Vorteil ist, um einen besonders passgenauen Rändelpressverband zu erreichen. Weiterhin sind die Werkstoffe der Fügepartner vorzugsweise so gewählt, dass es bei der Montage beider Fügepartner zu einer plastischen Verformung beziehungsweise Umformung des Werkstücks kommt. Eine spannende Bearbeitung ist jedoch auch möglich. In diesem Fall sollte an dem Rändelpressverband ein geschlossener Spanraum, in dem die erzeugten Späne austrittsicher aufgefangen werden, vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser Zeichnung zeigt

1 eine schematisch vereinfachte Teildarstellung eine Pleuels in einem Längsschnitt,
2 das Pleuel gemäß 1 mit einem Rändelpressverband zwischen einem Exzenterkörper und einem Exzenterhebel im Querschnitt D-D gemäß 1,
3 eine perspektivische Ansicht des Exzenterkörpers gemäß den 1 und 2 vor der Montage als Werkstück-Fügepartner mit einer daran vorgefertigten ausgebildeten Umfangsrändelung,
4 den Exzenterkörper gemäß 3 in einer Seitenansicht mit einem rechts daneben dargestellten vergrößerten Detail,
5 der Exzenterhebel gemäß den 1 und 2 als Werkzeug-Fügepartner mit einer daran vorgefertigten Längsrändelung in einem Längsschnitt,
6 den Exzenterhebel gemäß 5 in einer radialen Draufsicht,
7 ein Ausschnitt der Längsrändelung des Exzenterhebels gemäß 5,
8 eine zweite Ausführung einer Längsrändelung eines Exzenterhebels, und
9 eine dritte Ausführungsform einer Längsrändelung eines Exzenterhebels.

Einige Bauelemente in den Figuren stimmen überein, so dass sie zu Vereinfachung mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind.
Der Aufbau und die Funktionsweise eines Pleuels einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer auf einem Hebelmechanismus beruhenden Verstelleinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses ε einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine ist an sich bekannt und muss daher hier nicht im Detail erläutert werden. Dazu sei beispielsweise auf die eingangs erwähnte DE 10 2005 055 199 A1 verwiesen. Die zeichnerische Darstellung in den Figuren und die zugehörige Beschreibung beschränkt sich daher im Wesentlichen auf die Komponenten an einem Oberteil eines Pleuels 1 gemäß der Erfindung.
Demnach ist der in den 1, 2, 6 dargestellte Exzenterhebel 3 einer in 1 lediglich angedeuteten Verstelleinrichtung 2 eines Pleuels 1 an einem oberen, kleinen Pleuelauge 4 (2) angeordnet. Das Pleuelauge 4 ist über einen Pleuelschaft 5 mit einem nicht dargestellten unteren großen Pleuelauge verbunden, welches zur Anordnung des Pleuels 1 auf einem Kurbelzapfen einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildet ist. Der Exzenterhebel 3 weist eine Exzenterbohrung 6 auf, in der ein Exzenterkörper 7 eingesetzt ist. Der Exzenterkörper 7 ist durch einen im Folgenden genauer beschriebenen Rändelpressverband 10 mit dem Exzenterhebel 3 kraft- und formschlüssig verbunden. Der Exzenterkörper 7 ist als ein Wellenzapfen ausgebildet, der in dem Pleuelauge 4 drehbar gelagert angeordnet ist. Der Exzenterkörper 7 weist eine exzentrische Kolbenbolzenbohrung 8 zur drehbaren Aufnahme eines Kolbenbolzens 9 auf. Der Kolbenbolzen 9 selbst ist in 1 lediglich angedeutet. Der Kolbenbolzen 9 ist in bekannter Weise mit einem nicht dargestellten Arbeitskolben einer ebenfalls nicht dargestellten Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine verbunden. Da innerhalb des Exzenterkörpers 7 die Kolbenbolzenbohrung 8 exzentrisch angeordnet ist, lässt sich die Lage des Kolbenbolzens 9 relativ zum Pleuel 1 über ein Verdrehen des Exzenterhebels 3 verstellen.
Der Exzenterhebel 3 ist über einen nicht dargestellten Hebelmechanismus in an sich bekannter Weise drehbar und dadurch, wie in 1 angedeutet, zwischen einer ersten Endstellung für ein niedriges Verdichtungsverhältnis ε_low und einer zweiten Endstellung für ein hohes Verdichtungsverhältnis ε_high verstellbar. Der Kolbenbolzen 9 wird dementsprechend zwischen einer wie in 1 dargestellten kurbelwellennahen Position, entsprechend der kürzeren von zwei möglichen effektiven Pleuelschaftlängen sowie einer kurbelwellenfernen Position, entsprechend der längeren effektiven Pleuelschaftlänge verstellt.
2 zeigt das Pleuel 1 im Querschnitt D-D gemäß 1. Demnach ist das Pleuelauge 4 längsgeteilt ausgebildet in weist zwei axial beabstandete Pleuelwangen 4a, 4b auf. Die beiden Pleuelwangen 4a, 4b sind mit dem Pleuelschaft 5 jeweils fest, und so wie hier vorzugsweise einstückig verbunden. In einem axialen Zwischenraum, der die beiden Pleuelaugenwangen 4a, 4b voneinander axial trennt, ist der Exzenterhebel 3 angeordnet. Der als Wellenzapfen ausgebildete Exzenterkörper 7 ist in den beiden Pleuelwangen 4a, 4b drehbar und beispielsweise gleitend gelagert angeordnet. In dem gezeigten Beispiel sind die Aufnahmebohrung des Pleuelauges 4 und dem entsprechend der Außendurchmesser des Exzenterkörpers 7 radial stufig ausgeführt, mit einem größeren ersten Lagerungsdurchmesser d₁ für die drehbare Lagerung des Exzenterkörpers 7 in der ersten Pleuelwange 4a und einem relativ dazu kleineren zweiten Lagerungsdurchmesser d₂ für die drehbare Lagerung des Exzenterkörpers 7 in der zweiten Pleuelwange 4b. Dadurch weist der Exzenterkörper 7 einen axialen Anschlag 11 auf, mit dem dieser zur axialen Anlage an dem Exzenterhebel 3 gelangen kann. In dem zwischen der drehbaren Lagerung in den Pleuelwangen 4a, 4b liegenden axial mittleren Bereich befindet sich der Rändelpressverband 10 von Exzenterkörper 7 und Exzenterhebel 3.
3 und 4 zeigen den Exzenterkörper 7 als Einzelbauteil vor der Montage. Demnach ist an der äußeren Mantelfläche 19 des Exzenterkörpers 7 im Bereich des späteren Rändelpressverbands 10 eine Umfangsrändelung 12 vorhanden, welche durch mehrere in die Mantelfläche 19 des Exzenterkörpers 7 eingebrachte sowie parallel über den Umfang verlaufende kreisförmige Rillen gebildet ist. Der Kopfkreis 13 der Umfangsrändelung 12 ist kleiner als der erste Lagerungsdurchmesser d₁ jedoch größer als der zweite Lagerungsdurchmesser d₂ (4). Dadurch kann der zapfenförmige Exzenterkörper 7 stirnseitig vom größeren ersten Lagerungsdurchmesser d₁ her ungehindert in die Bohrung der ersten Pleuelwange 4a eingeführt und unter Ausbildung des Rändelpressverbandes 10 soweit durchgeschoben werden, bis der axiale Anschlag 11 des Exzenterkörpers 7 an dem Exzenterhebel 3 anliegt.
Wie 4 weiter zeigt, ist zwischen einem axialen Ende der Umfangsrändelung 12 und dem exzenterhebelseitigen absatzförmigen axialen Ende des ersten Lagerungsdurchmesser d₁ ein Spanraum 14 freigelassen, der im Falle eines materialabtragenden Verpressen der beiden Fügepartner Exzenterhebel 3 und Exzenterkörper 7 den anfallenden Materialabtrag, also Späne und/oder Abrieb, aufnehmen und nach außen austrittsicher einschließen kann.
Hier nicht dargestellt aber vorzugsweise vorgesehen ist außerdem eine Schmierölversorgungseinrichtung des Pleuels 1 mit mehreren Schmierölbohrungen, durch welche sich in jeder der beiden Endstellungen ε_low, ε_high des Exzenterhebels 3 ein erster Schmierölfilm zwischen der ersten Pleuelwange 4a des Pleuelauges 4 und dem ersten Wellenzapfenende des Exzenterkörpers 7, ein zweiter Schmierölfilm zwischen der zweiten Pleuelwange 4b und dem zweiten Wellenzapfenende des Exzenterkörpers 7 sowie ein dritter Schmierölfilm zwischen dem Innenmantel des Exzenterkörpers 7 und dem Kolbenbolzen 9 aufbauen.
5 und 6 zeigen den Exzenterhebel 3 als Einzelbauteil vor der Montage. Demnach ist an der radial inneren Mantelfläche 20 des Exzenterhebels 3 eine Längsrändelung 15 vorhanden, welche durch mehrere in die Mantelfläche 20 des Exzenterhebels 3 eingebrachte und in Axialrichtung parallel verlaufende Rillen gebildet ist. Das Rillenprofil der Längsrändelung 15 hat die Form einer Verzahnung.
In 6 ist im Schnitt A-A gemäß 5 erkennbar, dass an den stirnseitigen Enden der einzelnen in Axialrichtung längsverlaufenden Zähne jeweils eine Einführfase 16 ausgebildet ist, welche das Einführen des Exzenterkörpers 7 in den Exzenterhebel 3 für den anschließenden Längspressvorgang erleichtern.
7 zeigt im Ausschnitt B gemäß 5 die Verzahnung des Exzenterhebels 3 entsprechend der Längsrändelung 15. Die Verzahnung weist abgerundete Zahnköpfe 15a auf, wodurch der Rändelpressverband 10 besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Die 8 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Längsrändelung 17 mit spitzen Zahnköpfen 17a, wodurch bei dem Rändelpressverband 10 eine besonders hohe Drehmomentübertragungsfähigkeit erreicht werden kann.
9 zeigt schließlich einen Ausschnitt einer dritten Ausführungsform einer Längsrändelung 18 mit plateauförmigen Zahnköpfen 18a, wodurch die Fügepartner Exzenterhebel 3 und Exzenterkörper 7 des Rändelpressverbands 10 besonders gut zentriert werden können.
In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Exzenterhebel 3 als das Werkzeug der beiden Fügepartner vorgesehen, welches bei der Herstellung des Rändelpressverbands 10 mit seiner Längsrändelung 15, 17, 18 eine entsprechende passgenaue Gegenrändelung an dem Exzenterkörper 7 als Werkstück erzeugt. Der Exzenterhebel 3 weist daher eine höhere Werkstoffhärte als der Exzenterkörper 7 auf.
Bei der Montage des Pleuels 1 wird zunächst der Exzenterhebel 3 zwischen die beiden Pleuelwangen 4a, 4b mit einem leichten axialen Spiel eingefügt. Anschließend wird der Exzenterkörper 7 in die erste Pleuelwange 4a eingesetzt und durch Beaufschlagen mit einer Axialkraft mittels einer nicht dargestellten Schubvorrichtung oder dergleichen axial eingeschoben. Im Bereich des Exzenterhebels 3 beginnt der Längspressvorgang, bei dem sich die Längsrändelung 15, 17, 18 des Exzenterhebels 3 in den Außenmantel, genauer gesagt in die Umfangsrändelung 12 des Exzenterkörpers 7 einarbeitet. Dadurch wird ein entsprechendes Rändelmuster erzeugt. Der Längspressvorgang endet beim Anlegen des axialen Anschlags 11 des Exzenterkörpers 7 an dem Exzenterhebel 3. Der Exzenterkörper 7 ist nun in den Pleuelwangen 4a, 4b drehbar gleitend gelagert und mit dem Exzenterhebel 3 im Rändelpressverband 10 fest im Eingriff.
Bezugszeichenliste

1: Pleuel
2: Verstelleinrichtung
3: Exzenterhebel
4: Oberes kleines Pleuelauge
4a: Erste Pleuelwange
4b: Zweite Pleuelwange
5: Pleuelschaft
6: Exzenterbohrung
7: Exzenterkörper
8: Kolbenbolzenbohrung
9: Kolbenbolzen
10: Rändelpressverband
11: Axialer Anschlag am Exzenterhebel
12: Umfangsrändelung
13: Kopfkreis der Umfangsrändelung
14: Spanraum
15: Erste Längsrändelung (1. Ausführungsform)
15a: Zahnkopf der ersten Längsrändelung (1. Ausführungsform)
16: Einführfase an der ersten Längsrändelung
17: Zweite Längsrändelung (2. Ausführungsform)
17a: Zahnkopf der zweiten Längsrändelung (2. Ausführungsform)
18: Dritte Längsrändelung (3. Ausführungsform)
18a: Zahnkopf der dritten Längsrändelung (3. Ausführungsform)
19: Mantelfläche des Werkstücks (Exzenterkörper oder Exzenterhebel)
20: Mantelfläche des Werkzeugs (Exzenterkörper oder Exzenterhebel)
d_1: Erster Lagerungsdurchmesser an der ersten Pleuelwange
d_2: Zweiter Lagerungsdurchmesser an der zweiten Pleuelwange
ε_low: Niedriges Verdichtungsverhältnis
ε_high: Hohes Verdichtungsverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005055199 A1 [0004, 0021]
DE 102013014090 A1 [0004]

Claims

Pleuel (1) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher eine Verstelleinrichtung (2) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels einer Verstellung einer effektiven Pleuelschaftlänge aufweist, wobei ein Exzenterhebel (3) der Verstelleinrichtung (2) axial zwischen einer ersten Wange (4a) und einer zweiten Wange (4b) eines Pleuelauges (4) angeordnet ist, wobei ein als Wellenzapfen mit einer exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenbohrung (8) ausgebildeter Exzenterkörper (7) in dem Pleuelauge (4) drehbar gelagert angeordnet sowie in einer Exzenterbohrung (6) des Exzenterhebels (3) mit diesem verbunden ist, und bei dem über einen in die Kolbenbolzenbohrung (8) eingefügten Kolbenbolzen (9) eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge (4) und einem Arbeitskolben der Zylindereinheit herstellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Exzenterkörper (7) und dem Exzenterhebel (3) als ein kraft- und formschlüssiger Rändelpressverband (10) ausgebildet ist, welcher durch Längspressen der beiden Fügepartner Exzenterkörper (7) und Exzenterhebel (3) hergestellt ist, wobei einer der beiden Fügepartner (7, 3) mit einer relativ größeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als Werkzeug fungiert, und der andere der beiden Fügepartner (3, 7) mit einer im Vergleich dazu geringeren Werkstoffhärte ausgebildet ist sowie als durch das Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück fungiert, und wobei zumindest an dem als Werkzeug fungierenden Fügepartner eine Längsrändelung (15, 17, 18) vorgefertigt ausgebildet ist, mittels der eine entsprechende Gegenrändelung an dem als Werkstück fungierenden Fügepartner in einem Längspressvorgang erzeugt ist.
Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rändelpressverband (10) eine Verzahnungsgeometrie aufweist, wobei die Zähne abgerundete, spitze oder plateauförmige Zahnköpfe (15a, 17a, 18a) aufweisen.
Pleuel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Werkzeug fungierende Fügepartner, nämlich der Exzenterkörper (7) oder der Exzenterhebel (3), eine solche vorgefertigte Längsrändelung (15, 17, 18) aufweist, welche durch mehrere an einer Mantelfläche (20) des Werkzeugs axial parallel laufende Rillen gebildet ist, und dass der als Werkstück fungierende andere Fügepartner, nämlich der Exzenterkörper (7) oder der Exzenterhebel (3), eine solche vorgefertigte Umfangsrändelung (12) aufweist, welche durch mehrere an einer Mantelfläche (19) des Werkstücks umfänglich parallel laufende Rillen gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen einem Exzenterkörper (7) und einem Exzenterhebel (3) eines Pleuels (1) einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, welcher eine Verstelleinrichtung (2) zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit der Hubkolbenbrennkraftmaschine mittels einer Verstellung einer effektiven Pleuelschaftlänge aufweist, wobei der Exzenterhebel (3) der Verstelleinrichtung (2) axial zwischen einer ersten Wange (4a) und einer zweiten Wange (4b) eines Pleuelauges (4) angeordnet wird, wobei der als Wellenzapfen mit einer exzentrisch verlaufenden Kolbenbolzenbohrung (8) ausgebildete Exzenterkörper (7) in dem Pleuelauge (4) drehbar gelagert eingesetzt wird und in einer Exzenterbohrung (6) des Exzenterhebels (3) mit demselben verbunden wird, und wobei über einen in die Kolbenbolzenbohrung (8) einfügbaren Kolbenbolzen (9) eine exzentrische Verbindung zwischen dem Pleuelauge (4) und einem Arbeitskolben der Zylindereinheit herstellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Exzenterkörper (7) und dem Exzenterhebel (3) ein Rändelpressverband (10) hergestellt wird, wobei folgende Montageschritte durchgeführt werden: a) Einfügen des Exzenterhebels (3) zwischen die beiden Wangen (4a, 4b) des Pleuelauges (4), b) stirnseitiges Einsetzen des Exzenterkörpers (7) in eine Wange (4a, 4b) des Pleuelauges (4) und Ausrichten der Fügepartner Exzenterkörper (7) und Exzenterhebel (3) zueinander, sowie c) axiale Montage des Exzenterkörpers (7) durch Längspressen der beiden Fügepartner Exzenterkörper (7) und Exzenterhebel (3), wobei einer der beiden Fügepartner mit einer vorgefertigten Längsrändelung (15, 17, 18) als ein Werkzeug genutzt wird, mittels dem in einem Längspressvorgang an dem anderen der beiden Fügepartner durch plastisches Verformen und/oder durch Materialabtrag eine dazu geometrisch kongruente Gegenrändelung erzeugt wird.