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Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine.
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Im Motorenbau sowie in der Konstruktion allgemeiner Arbeitsmaschinen ist stets bevorzugt eine möglichst leichte und dennoch belastbare Ausgestaltung von Maschinenbauteilen zu finden. Große Konstruktionsteile werden gewichtsoptimiert aufgebaut, indem einzelne Bauelemente, wie etwa Streben oder Balken, geschweißt oder verschraubt werden. Für sehr kleine Bauteile sind die Grenzen einer strukturierten Gestaltung sehr eng gesetzt. Insbesondere bei Gusskonstruktionen sind komplexe Bauteile mit Hohlräumen und Hinterschneidungen entweder sehr kostenintensiv oder aber gar nicht erst zu fertigen. So werden Pleuelstangen für Hubkolbenmaschinen in der Großserienproduktion entweder gegossen oder geschmiedet. Eine belastungsorientierte Materialverteilung an Pleuelstangen ist daher in der Großserie nicht anwendbar.
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Die erfindungsgemäße Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine umfasst zwei Pleuelaugen und einen Pleuelschaft, der die beiden Pleuelaugen miteinander verbindet, wobei die Pleuelstange mittels eines generischen Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
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Als generisches oder additives Fertigungsverfahren bzw. 3D-Druck werden Fertigungsverfahren verstanden, bei welchen die Fertigung direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle aus formlosem Material, wie Flüssigkeiten, Gelen/Pasten oder Pulver, oder formneutralem Material, band-, draht- oder blattförmigem Halbzeug, mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt.
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Mögliche Vorteile der Erfindung sind eine belastungsorientierte Gestaltung der Pleuelstange, wobei die Pleuelstange einen strukturellen oder hohlen Aufbau aufweisen kann.
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Ein derartiger hohler Aufbau kann dazu beitragen, dass Bereiche mit geringer Belastung ausgespart werden und eine Pleuelstange mit den Methoden des Leichtbaus konstruiert werden kann. Insbesondere kann ein strukturierter Aufbau ermöglicht werden, wie er beispielsweise bei organischen Strukturen bekannt ist. Bei organischen Strukturen oder gewachsene Strukturen wird Material in Bereichen hoher Belastung bevorzugt angehäuft und in Bereichen geringer Belastung ausgedünnt oder gänzlich weggelassen. Einen derartigen Aufbau wird als bionisch oder biomimetisch bezeichnet.
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Es ist daher besonders vorteilhaft für eine erfindungsgemäße Pleuelstange, wenn der Pleuelschaft einen biomimetischen Aufbau aufweist. Mittels eines biomimetischen Aufbaus oder einer biomimetischen Struktur lassen sich folglich die Vorteile des Leichtbaus besonders gut und effizient umsetzen, da mittels biomimetischer Strukturen das Verhältnis zwischen der Bauteilbelastbarkeit und dem Bauteilgewicht maximiert werden kann.
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In diesem Zusammenhang ist es alternativ oder kumulativ zu den vorstehend genannten Merkmalen vorteilhaft für eine Pleuelstange, wenn die Pleuelstange eine Ölversorgungsleitung aufweist, die die beiden Pleuelaugen fluidkommunizierend miteinander verbindet, wobei die Ölversorgungsleitung wenigstens zwei Teilversorgungsleitungen aufweist, und wobei wenigstens eine der beiden Teilversorgungsleitungen eine Krümmung aufweist.
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In Abkehr zu gebohrten Ölversorgungsleitungen, die mittels einer Bohrung oder mittels zweier Bohrungen, die sich im Pleuelschaft unter einem Winkel treffen, bieten Ölversorgungsleitungen mit einer Krümmung den Vorteil, dass diese beliebig im Pleuelschaft positioniert werden können, da durch die spanende Bearbeitung sehr enge Konstruktionsgrenzen vorgegeben werden. Die Ölversorgungsleitung kann somit in Bereiche des Pleuelschaftes mit geringer Belastung gelegt werden. Da Risse im Material bevorzugt von Ecken und Kanten ausgehen, kann eine gekrümmte Ölversorgungsleitung durch verringerte Kerbwirkung ebenfalls zu einer höheren Belastbarkeit beitragen. In Ausführungen nach dem Stand der Technik mit zwei geraden Ölversorgungsbohrungen, die im Pleuelschaft aufeinandertreffen, entsteht zwangsläufig eine umlaufende Kante, welche wegen der Kerbwirkung eine verringerte Belastbarkeit aufweist.
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Um Kanten und die von diesen Kanten ausgehende Kerbwirkung zu vermeiden bzw. zu minimieren, kann die Krümmung der einen der beiden Teilversorgungsleitungen stetig sein. Alternativ oder kumulativ hierzu kann die Krümmung in einem Übergang von einer der beiden Teilversorgungsleitungen zu der anderen der beiden Teilversorgungsleitungen stetig sein. Eine stetige Krümmung weist folglich keine Kanten oder Knicke auf.
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Die Ölversorgungsleitung mit gekrümmten Teilversorgungsleitungen bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die beiden Mündungen der Ölversorgungsleitung in den jeweiligen Pleuelaugen in Bereiche gelegt werden können, in welchen im Vergleich zu gesamten Lastprofil nur geringe Lagerlasten auftreten. In Folge dieser Freiheit in der Positionierung der Mündungen der Ölversorgungsbohrung können die beiden Lager der Pleuelstange in engeren Toleranzen oder belastungsspezifisch konstruiert werden. Etwaige zusätzliche Lagerbreiten, welche zu Steigerung der Belastbarkeit und der Sicherheit gegen Versagen vorgehalten werden, können somit entfallen, wodurch sowohl Bauraum als auch Herstellungskosten verringert werden können.
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Ferner kann die Pleuelstange eine Ölversorgungsleitung aufweisen, die die beiden Pleuelaugen fluidkommunizierend miteinander verbindet, wobei die Ölversorgungsleitung wenigstens eine Teilversorgungsleitung aufweist, und wobei die Teilversorgungsleitung einen veränderlichen Strömungsquerschnitt entlang ihrer Längserstreckung aufweist. Insofern kann die Ölversorgungsleitung beispielsweise von einem kreisförmigen Querschnitt in einen ovalen oder elliptischen Querschnitt übergehen. Alternativ können auch Querschnittänderungen mit gleichbleibender Geometrie vorgesehen sein, wie etwa bei einer Verjüngung oder einer Aufweitung. Auch ist es möglich Verzweigungen in die Ölversorgungsleitung zu legen, so dass eine Ölversorgungsleitung mehrere parallele Teilversorgungsleitungen und/oder mehrere Mündungen aufweisen kann.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer biomimetischen Struktur,
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2 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung,
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3 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung im Querschnitt,
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4 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung,
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5 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung im Querschnitt,
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6 eine Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung nach dem Stand der Technik,
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7 eine Pleuelstange mit Hochlastbereichen,
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8 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einem biomimetischen Aufbau und einer Ölversorgungsleitung,
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9 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einem biomimetischen Aufbau und einer Ölversorgungsleitung im Querschnitt und
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10 eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einem biomimetischen Aufbau und einer Ölversorgungsleitung im Querschnitt.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Pleuelstange 1 mit einer biomimetischen Struktur 8 für eine Hubkolbenmaschine. Die Pleuelstange 1 umfasst zwei Pleuelaugen 2, 3 und einen Pleuelschaft 4, der die beiden Pleuelaugen 2, 3 miteinander verbindet, wobei die Pleuelstange mittels eines generischen Fertigungsverfahrens hergestellt ist. Bei den beiden Pleuelaugen 2, 3 handelt es sich um ein kleines Pleuelauge 2 und ein großes Pleuelauge 3. Das kleine Pleuelauge 2 ist hierbei einteilig ausgeführt und lagert einen Kolbenbolzen eines Kolbens. Mittels des Pleuelschaftes 4 ist das kleine Pleuelauge 2 mit dem zweiteilig ausgeführten großen Pleuelauge 3 verbunden. Das große Pleuelauge lagert einen Hubzapfen einer Kurbelwelle, wobei ein Pleuellagerdeckel 5 des großen Pleuelauges 3 mit einem Pleuelfuß 6 der Pleuelstange 1 über zwei Bohrungen 7 verschraubt ist.
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Der Pleuelschaft 4 weist einen biomimetischen Aufbau auf. Der biomimetische Aufbau beinhaltet die biomimetische Struktur 8. Während die beiden Pleuelaugen 2, 3 aus Vollmaterial ausgebildet sind, ist in der Pleuelstange 4 die biomimetische Struktur 8 integriert. Hierbei sind innerhalb zweier außenliegender Hauptverstrebungen der Pleuelstange 4 multiple kleinere, verzweigte Verstrebungen eingearbeitet. Diese die mimetische Struktur 8 bildende verzweigten Verstrebungen sind derart in der Pleuelstange 4 verteilt, dass in Bereichen hoher Spannungen Material angehäuft ist und in Bereichen kleiner Spannungen Material entfernt ist. Kerbwirkung wird vermindert, indem alle Übergänge Radien aufweisen. Im Ergebnis entsteht der komplexe biomimetische Aufbau, in welcher die Spannungen vergleichsweise homogen verteilt sind und in welcher keine Ecken und Kanten auftreten.
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Die Pleuelstange 1 wird mittels eines generischen Fertigungsverfahrens hergestellt, da eine derartige komplexe Struktur mit Hinterschneidungen nicht ohne weiteres gegossen werden kann. Zumindest ist ein Gießverfahren wegen sehr hoher Kosten für eine in Großserie gefertigte erfinderische Pleuelstange nicht geeignet.
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Das generische Fertigungsverfahren bietet darüber hinaus den Vorteil, Hohlräume innerhalb der Pleuelstange 1 vorzusehen. Ein derartiger Hohlraum kann sowohl Bestandteil der mimetischen Struktur oder beispielsweise eine Zuleitung für Betriebsmedien sein.
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Die 2 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung 9 in Draufsicht und im Querschnitt. Die Ölversorgungsleitung 9 der Pleuelstange 1 verbindet die beiden Pleuelaugen 2, 3 fluidkommunizierend miteinander, wobei die Ölversorgungsleitung 9 wenigstens zwei Teilversorgungsleitungen aufweist, und wobei wenigstens eine der beiden Teilversorgungsleitungen eine Krümmung aufweist. Insofern kann die erste Teilversorgungsleitung ein erstes gerades Teilstück der Ölversorgungsleitung 9 und die zweite Teilversorgungsleitung ein an die erste Teilversorgungsleitung folgender Bogen sein. Es versteht sich, dass mehrere Teilversorgungsleitungen aufeinander folgen können.
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Die Krümmung der einen der beiden Teilversorgungsleitungen ist stetig. Ferner ist die Krümmung in einem Übergang von einer der beiden Teilversorgungsleitungen zu der anderen der beiden Teilversorgungsleitungen stetig. Diese Ausgestaltung der Ölversorgungsleitung ist bei Verwendung des generischen Fertigungsverfahrens aus mehreren Gründen vorteilhaft für die Pleuelstange 1. Einerseits ist es durch eine knickfreie und kantenfreie Gestaltung der Ölversorgungsleitung 9 möglich das zum kleinen Pleuelauge 2 geförderte Öl möglichst verlustarm zu transportieren, und andererseits ist es möglich die Ölversorgungsleitung ohne Restriktionen des Fertigungsverfahrens in einen beliebigen Bereich des Pleuelschaftes 4 zu legen. So ist es möglich die Ölversorgungsleitung 9 mittig durch den Pleuelschaft 4 oder außermittig durch den Pleuelschaft 4 zu verlegen, je nachdem in welchem Bereich niedrigere Spannungen während des Betriebs der Hubkolbenmaschine zu erwarten sind. Wie aus 6, die eine Pleuelstange mit einer Ölversorgungsleitung 9 nach dem Stand der Technik zeigt, ersichtlich, können gebohrte Ölversorgungsleitungen 9 nur gerade ausgeführt werden und können quer durch den Pleuelschaft 4 verlaufen. Hierbei kann es erforderlich sein, die Ölversorgungsbohrung auch durch einen Bereich sehr hoher Belastung zu legen. Alternativ können Ölversorgungsbohrungen nach dem Stand der Technik auch von zwei Richtungen in den Pleuelschaft 4 eingearbeitet werden, so dass die beiden Teilbohrungen im Pleuelschaft aufeinandertreffen. Hierbei entsteht jedoch eine Unstetigkeit in Form eines Knickes im Verlauf der Bohrung, wodurch wiederum die Strömungswiderstände innerhalb der Ölversorgungsbohrung steigen. Die erfindungsgemäße Ölversorgungsleitung 9 umgeht diesen Nachteil mittels der stetigen Krümmung in bzw. zwischen den Teilversorgungsleitungen. Das durch die Ölversorgungsleitung 9 strömende Öl muss folglich nicht an einem Knick umgelenkt werden. Die gerundeten Übergänge in der Ölversorgungsleitung sorgen somit für einen besonders verlustarmen Transport des Öls.
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Zusätzlich ist es durch die Verwendung des generischen Fertigungsverfahrens besonders gut möglich mehrere parallel verlaufende und/oder verzweigte Ölversorgungsleitungen 9 in der Pleuelstange 1 vorzusehen. Alternativ bzw. kumulativ zu den vorstehend genannten Ausführungsformen kann die Pleuelstange 1 eine Ölversorgungsleitung 9 aufweisen, die die beiden Pleuelaugen 2, 3 fluidkommunizierend miteinander verbindet, wobei die Ölversorgungsleitung 9 wenigstens eine Teilversorgungsleitung aufweist, und wobei die Teilversorgungsleitung einen veränderlichen Strömungsquerschnitt entlang ihrer Längserstreckung aufweist. Insofern ist es einerseits möglich die Ölversorgungsbohrung in Bereichen niedriger Materialbelastung mit einem größeren Querschnitt zu versehen, um die Strömungsgeschwindigkeit des Öl und folglich Strömungsverluste zu minimieren. Alternativ kann die Ölversorgungsleitung auch sehr flach und breit ausgeführt werden, um die Ölversorgungsleitung um eine hochbelastete Stelle im Pleuelschaft 4 herumzulegen oder um die Oberfläche der Ölversorgungsleitung 9 zwecks Kühlung zu erhöhen.
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Die Ölversorgungsleitung 9 kann zusätzlich hierzu an ihrer Mündung einen kleineren Querschnitt aufweisen, um dort eine Düse auszubilden. So kann die Ölversorgungsleitung 9 oder eine Abzweigung dessen an der Außenoberfläche des kleinen Pleuelauges münden, um dort eine Ölspritzdüse für eine Kolbenkühlung zu bilden. Statt die biomimetische Struktur 8 mit einem komplex verzweigten Aufbau aufzuweisen kann es bereits vorteilhaft für die Pleuelstange 1 sein, wenn der Pleuelschaft 4 wenigstens einen Hohlraum 10 aufweist. Die Hohlräume 10 können, wie bei der biomimetischen Struktur 8, auch bei einer geschlossenen Oberfläche des Pleuelschaftes 4 dazu beitragen, das Gewicht der Pleuelstange 1 bei gleicher Belastbarkeit zu senken.
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7 zeigt Hochlastbereiche 11 der Pleuelstange 1. Es ist ersichtlich, dass die Hochlastbereiche 11 nicht zusammenhängend in den beiden Pleuelaugen 2, 3 vorzufinden sind. Insofern werden Öffnungen der Ölversorgungsleitungen 9 bevorzugt in Bereiche außerhalb der Hochlastbereiche 11 gelegt. Die mittels generischem Fertigungsverfahren eingearbeitete Ölversorgungsleitung 9 ist folglich besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Pleuelstange 1, da diese auf Grund der vorhandenen Krümmungen sowohl in den beiden Pleuelaugen 2, 3 außerhalb der Hochlastbereiche 11 gelegt werden kann, als auch innerhalb des Pleuelschaftes 4 außerhalb hochbelasteter Bereiche gelegt werden kann.
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Die zuvor beschriebenen vorteilhaften Merkmale können besonders bevorzugt kombiniert werden, wie aus den 8 bis 10 ersichtlich, die die erfindungsgemäße Pleuelstange 1 mit der biomimetischen Struktur 8 und Ölversorgungsleitungen 9 in Draufsicht und im Querschnitt zeigen. Hierbei weist der innere Bereich des Pleuelschaftes 4 die biomimetische Struktur 8 auf und innerhalb der beiden Außenbereiche des Pleuelschaftes 4 verlaufen zwei Ölversorgungsleitungen 9.
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Wie aus den beiden in den 9 und 10 dargestellten Querschnitten ersichtlich, kann die biomimetische Struktur 8 des Pleuelschaftes in einem Außenbereich des Pleuelschaftes 4 liegen und einen offenen Raum im Pleuelschaft 4 umschließen. Alternativ können auch mehrere Lagen der biomimetischen Struktur 8 in dem Pleuelschaft 4 vorgesehen sein.
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Es versteht sich, dass auch das kleine Pleuelauge 2 und/oder der Pleuelfuß 6 sowie der Pleuellagerdeckel 5, also das große Pleuelauge 3, einen biomimetischen Aufbau aufweisen können.
