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Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange
mit einer Lagerung in einem großen
und einem kleinen Pleuelauge, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen,
die über
einen Kolbenbolzen, der einerseits im kleinen Pleuelauge und andererseits
mit seinen Enden in einem Kolben lagerbar ist, mit diesem Kolben
gelenkig verbindbar ist.
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Die Lagerung der Pleuelstange in
einem Kolben mittels eines Kolbenbolzens zählt zu den am höchsten dynamisch
beanspruchten Lagern in einer Verbrennungskraftmaschine. Dabei steckt
der Kolbenbolzen mit seinem mittleren Teil im kleinen Pleuelauge
der Pleuelstange, während
seine beiden Enden im Kolben – beispielsweise
in hierfür
vorgesehenen Naben – gelagert
sind.
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Die Kräfte, mit denen der Kolben von
Seiten des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine her beaufschlagt
wird, werden von dieser Lagerung aufgenommen und abgesehen von geringen
Reibungsverlusten über
die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen. Da sich der Kolben
ausschließlich
oszillierend und sich die Pleuelstange abgesehen von einem geringen
rotatorischen Anteil auch überwiegend oszillierend
bewegt, sind die in Richtung der Zylinderrohrlängsachse wirkenden Kräfte die
betragsmäßig größten und
daher relevanten Kräfte
im Hinblick auf die Lagerbelastung und – auslegung.
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Die 1a und 1b zeigen eine Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination
nach dem Stand der Technik unter Belastung. Die Pfeile symbolisieren
die Gaskräfte,
die auf den Kolbenboden wirken und mittels eines im Brennraum ablaufenden
Verbrennungsprozesses generiert werden. Diese Gaskräfte belasten
den Kolben (6) und drücken
ihn in Richtung Zylinderrohrlängsachse
(9) nach unten, wobei ausgehend vom oberen Totpunkt dem
Kolben (6) durch die Gaskräfte eine beschleunigte Bewegung
aufgezwungen wird. Der Kolben (6), der mit seiner nach
unten gerichteten Bewegung versucht, den Gaskräften auszuweichen, muß bei dieser
abwärts
gerichteten Bewegung die mit ihm gelenkig verbundene Pleuelstange (1)
mitnehmen. Hierzu leitet der Kolben (6) die auf ihn wirkenden
Gaskräfte über den
Kolbenbolzen (4) und die Lagerung (2) auf die
Pleuelstange (1) und versucht diese nach unten zu beschleunigen.
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Aufgrund der hohen Kräfte und
Beschleunigungen, insbesondere auch aufgrund der infolge hoher Beschleunigungen
und Verzögerungen
auftretenden dynamischen Trägheitskräfte, kommt
es zu einer starken Verformung der Lagerung (2) und der
beanspruchten Bauteile. Der mit seinen beiden Enden (5a, 5b)
im Kolben (6) gelagerte Kolbenbolzen (4) wird dabei
gemäß 1a entlang seiner Längsachse
(7) bananenförmig
durchgebogen und – wie 1b zu entnehmen ist – in seinem
Querschnitt ebenfalls stark verformt, in der Art, dass sein Durchmesser
in Richtung der Längsachse
(8) des Kolbens (6) gestaucht wird. Dabei versucht
der Kolbenbolzen (4) zur Seite hin auszuweichen, wodurch
sich sein Durchmesser senkrecht zur Längsachse (8) des Kolbens
(6) vergrößert. Insgesamt
erhält
der Bolzen (4) infolge der Deformation damit einen eher
ovalförmigen
Querschnitt. Dieses Flachdrücken
des Kolbenbolzens (4) wird sowohl an seinen Enden (5a, 5b)
in den Kolbenbolzenlagerungen im Kolben (6) als auch in
seinem mittleren Abschnitt (17), mit dem er in der Lagerung (2)
des kleinen Pleuelauge (3) steckt, beobachtet.
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Infolge der bananenförmigen Durchbiegung des
Bolzens (4) gemäß 1a liegt der Bolzen (4) nicht
mehr gleichmäßig über die
gesamte Innenfläche
der Lagerung (2) im kleinen Pleuelauge (3) an, sondern
beansprucht insbesondere die Ränder
der Lagerung (2), wobei die Lagerfläche stellenweise sogar belastungsfrei
ist und die Lagerung (2) bemüht ist, der Deformation des
Bolzens (4) zu folgen.
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Aufgrund der beschriebenen Deformationen der
Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination
kommt es zu einer überaus
ungleichmäßigen Lastverteilung
in der Lagerung (2), wobei die Flächenpressung zwischen Kolbenbolzen
(4) und der Innenfläche
der Lagerung (2) stark variiert.
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Die am Beispiel des kleinen Pleuelauges
beschriebenen Vorgänge
und Deformationen lassen sich in ähnlicher Weise auch im anderen
Lager der Pleuelstange beobachten, in dem die Kurbelwelle im großen Pleuelauge
gelagert wird. Die Folge ist ebenfalls eine unerwünschte,
stark ungleichförmige
Lastverteilung in der Lagerung.
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Es ist schon aus Kostengründen grundsätzlich ein
Ziel der Konstrukteure, Bauteile materialsparend in der Art auszulegen,
dass sie der vorgesehenen Belastung standhalten. Dabei ist auch
eine möglichst
gleichmäßige Belastung über das
gesamte Bauteil zielführend,
da Belastungsspitzen in einzelnen Bereichen des Bauteils nur durch
eine entsprechend stärkere
Dimensionierung des gesamten Bauteils begegnet werden kann.
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Ferner ist aus der
De 199 11 339 A1 bekannt, bei
trapezförmigen
Pleuelaugen zur besseren Schmierung Lager mit ovalförmigen Querschnitt
vorzusehen.
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In der
DE 100 29 950 A1 wird vorgeschlagen, die
Innenwand des Pleuelauges so zu gestalten, dass sie der Außenwand
eines unter Last deformierten Kolbenboltzen folgt
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Vor diesem Hintergrund ist es die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pleuelstange in der Art
zu optimieren, dass sie unter Last ein verbessertes Verhalten aufweist
und insbesondere die Lastverteilung im Lager d.h. die Flächenpressung
zwischen dem Kolbenbolzen und der Innenfläche der Lagerung gleichmäßiger als
bei herkömmlichen
Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination ausgebildet ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch
eine Pleuelstange der gattungsgemäßen Art, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass
- – zumindest
eine Lagerung im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Pleuelauges ovalförmig in
der Art ausgebildet ist, dass der größte Durchmesser senkrecht zur
Längsachse
der Pleuelstange und der kleinste Durchmesser in Richtung der Längsachse
der Pleuelstange verläuft,
und
- – zumindest
die eine Bohrung bildende Lagerung in dem kleinen Pleuelauge entlang
ihrer Längsachse
in der Art ausgebildet ist, dass sich die Bohrung zu den beiden
offenen Enden erweitert.
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Die erfindungsgemäße Pleuelstange trägt den unter
Last auftretenden Deformationen der Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination,
insbesondere den Deformationen des Kolbenbolzens durch eine spezielle
Formgebung der eine Bohrung bildenden Lagerung in zweifacher Hinsicht
Rechnung.
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Die erste konstruktive Maßnahme besteht darin,
der Lagerung einen ovalförmigen
d.h. ellipsenförmigen
Querschnitt zu geben. Der größte Durchmesser
dieser Ellipse verläuft – wenn der
Kolben sich im oberen Totpunkt befindet – senkrecht zur Längsachse
der Pleuelstange, wobei der kleinste Durchmesser senkrecht zu diesem
größten Durchmesser verläuft. Diese
Querschnittsform kommt der unter Last beobachteten und oben ausführlich erläuterten Kolbenbolzendeformation
entgegen, indem sie dem Bolzen, der unter Last flachgedrückt wird,
eine entsprechende Form der Aufnahmebohrung vorgibt. Damit gibt
sie dem Bolzen, der in Richtung der Längsachse des Kolbens gestaucht
wird, genügend
Raum, um zur Seite hin – in
Richtung des größten Durchmessers
des ovalförmigen
Bohrungsquerschnitts – auszuweichen.
Zum anderen sorgt sie durch einen – gegenüber herkömmlichen d.h. zylinderförmig ausgeformten
Lagerbohrungen – in
Richtung der Kolbenslängsachse
verkleinerten Querschnitt dafür, dass
auch der – wie
aus 1b ersichtlich -flachgedrückte d.h.
der in Richtung des Kolbenslängsachse gestauchte
und damit verkleinerte Durchmesser des Bolzens unter Last ein korrektes
Spiel in der Lagerung hat.
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Die erfindungsgemäße Pleuelstange begegnet somit
dem unter Last infolge der Deformation im Querschnitt ovalförmigen Bolzen
(1b) mit einer entsprechend
ovalförmig
ausgebildeten Lageraufnahme im kleinen Pleuelauge. Hierdurch wird
eine gleichmäßigere Lastverteilung
d.h. Flächenpressung in
der Lagerung d.h. zwischen Kolbenbolzen und Innenfläche der
Lagerung erzielt, weshalb diese Maßnahme maßgeblich zur Lösung der
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe beiträgt.
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Die zweite konstruktive Maßnahme trägt dem – wie aus 1a ersichtlich – unter
Last in Richtung seiner Längsachse
bananenförmig
gebogenem Bolzen dadurch Rechnung, dass die eine Bohrung bildende
Lagerung in dem kleinen Pleuelauge entlang ihrer Längsachse
in der Art ausgebildet ist, dass sich die Bohrung zu den beiden
offenen Enden erweitert. Wie schon bei der ersten Maßnahme,
der ovalförmigen
Ausgestaltung der Lagerbohrung, wird auch mit der zweiten konstruktiven
Maßnahme
der Deformation des Bolzens unter Last begegnet bzw. entsprochen.
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Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung
ist der unter Last bananenförmig
gebogene Bolzen und damit auch die Lagerung selbst im Bereich der
Kanten der Lagerbohrung keiner punkt- bzw. linienförmige Belastung,
wie sie nach dem Stand der Technik beobachtet wird (1a), ausgesetzt. Auch der mittlere Teil
des Bolzens wird gleichmäßiger belastet
und nicht wie beispielsweise in 1a dargestellt,
stellenweise nicht, bzw. stellenweise überdurchschnittlich stark.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen
Pleuelstangen hat der unter Last gebogene Bolzen bei der erfindungsgemäßen Pleuelstange
eine ausreichende Unterstützung
im Bereich der Lagerkanten, so dass auch in diesem Bereich ein flächenmäßiger Kontakt zwischen
Kolbenbolzen und Lagerinnenfläche
gewährleistet
ist und Spannungsspitzen vermieden werden. Wie noch im Zusammenhang
mit der Figurenbeschreibung erläutert
wird, liegt der Bolzen durch diese Ausgestaltung der Lagerbohrung
entlang seiner gesamten Längsachse
an der Innenfläche
der Lagerung an.
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Hierdurch wird eine gleichmäßigere Lastverteilung,
d.h. Flächenpressung
in der Lagerung, d.h. zwischen Kolbenbolzen und Innenfläche der
Lagerung erzielt, weshalb auch diese zweite Maßnahme maßgeblich zur Lösung der
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe beiträgt, die Lastverteilung im Lager
d.h. die Flächenpressung
zwischen dem Kolbenbolzen und der Innenfläche der Lagerung gleichmäßiger als
bei herkömmlichen
Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination
auszubilden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen
der Pleuelstange, bei denen die Bohrung im mittleren Teil von gleichem
Durchmesser ist und sich erst zu ihren offenen Enden hin erweitert.
Diese Ausgestaltung bietet dem Kolbenbolzen eine stabile axiale
Führung
im kleinen Pleuelauge.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen
der Pleuelstange sein, bei denen die Bohrung ohne einen mittleren
Teil von gleichem Durchmesser aufzuweisen sich ausgehend von der
Mitte zu ihren offenen Enden hin erweitert. Diese Ausführungsform ist
bei Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombinationen
zu bevorzugen, bei denen die Deformation des Bolzens, insbesondere
in Richtung seiner Längsachse,
verhältnismäßig stark
ausgeprägt
ist, und es sich empfiehlt dieser starken Biegung des Bolzens unter
Last dadurch Rechung zu tragen, dass die Bohrung sich bereits ausgehend
von ihrer Mitte zu ihren offenen Enden hin erweitert. Der Durchbiegung
des Bolzens kann auf diese Weise bereits in der Mitte der Bohrung durch
entsprechenden Verlauf der Lagerinnenfläche entgegengekommen werden.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen
der Pleuelstange, bei denen die Bohrung sich zu ihren offenen Enden
hin konusförmig
erweitert. Diese Erweiterung der Bohrung bietet unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten
Vorteile, da eine sich kontinuierlich, mit gleicher Steigung d.h.
gleichem Winkel nach außen
hin vergrößernde Erweiterung
keine speziellen Werkzeuge erfordert, wodurch sie im Hinblick auf
die einzusetzenden Werkzeuge einfacher und kostengünstiger
gefertigt werden kann.
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Diese Ausführungsform der Erweiterung kann
sowohl bei Pleuelstangen, bei denen die Bohrung im mittleren Teil
von gleichem Durchmesser ist und sich erst zu ihren offenen Enden
hin erweitert, als auch bei Pleuelstangen, bei denen die Bohrung
ohne einen mittleren Teil von gleichem Durchmesser aufzuweisen sich
ausgehend von der Mitte zu ihren offenen Enden hin erweitert, angewendet
werden.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen
der Pleuelstange sein, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Bohrung
sich zu ihren offenen Enden hin trompetenförmig erweitert. Gerade bei
einer stark ausgeprägten
Durchbiegung des Bolzens, bei der der Bolzen nahezu über seine
gesamte Länge,
zumindest aber im relevanten Bereich der Lagerung in der Pleuelstange,
gekrümmt
ist und im wesentlichen über
keine geraden Teilstücke
mehr verfügt,
kann durch eine trompetenförmige
Erweiterung, bei der sich der Durchmesser nach außen hin
in zunehmendem Maß vergrößert, Rechnung
getragen werden. Bei einer trompetenförmigen Erweiterung nimmt ein
gedachten Winkel zwischen der Bohrungslängsachse der Lagerung und einer
an der Innenseite der Lagerfläche
anliegenden Tagenten mit zunehmender Erweiterung nach außen hin
zu.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen
der Pleuelstange, bei denen die Lagerung im kleinen Pleuelauge mittels
einer Buchse gebildet wird. Dann kann entweder die Bohrung des kleinen
Pleuelauges die beschriebene Form – d.h. einen ovalförmigen Querschnitt
und eine Erweiterung zu den offen Enden hin – aufweisen und sich die nach
dem Stand der Technik bekannte, zylinderförmige Buchse verursacht durch ihren
Presssitz im kleinen Pleuelauge dieser Form anpassen, oder die Bohrung
des kleinen Pleuelauge wird mit einer herkömmlichen, zylinderförmigen Bohrung
versehen und die Lagerung erhält
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
durch eine entsprechend geformte, in das kleine Pleuelauge eingepresste
Buchse.
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Entsprechendes gilt für das große Pleuelauge,
wobei hier in der Regel keine Buchsen, sondern geteilte Gleitlager
in Form von Lagerhalbschalen eingesetzt werden.
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Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen
der Pleuelstange sein, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die Lagerung
im kleinen Pleuelauge durch die Innenwand des kleinen Pleuelauges
gebildet wird. In bestimmten Anwendungsfällen wird das kleine Pleuelauge
nicht zusätzlich
mit einer Buchse ausgestattet, sondern übernimmt selbst die Aufgabe
der Lagerung. Unter Umständen
wird auf die Innenseite der Bohrung des kleinen Pleuelauges eine
Beschichtung aufgetragen. Die Lagerung erhält ihre erfindungsgemäße Ausgestaltung
durch entsprechende Formgebung der Bohrung des kleinen Pleuelauges.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von drei Ausführungsbeispielen
gemäß der fünf Zeichnungsfiguren
näher erläutert. Hierbei
zeigt:
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1a eine
schematische Darstellung einer Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination unter Last, in der Seitenansicht
und teilweise geschnitten,
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1b eine
schematische Darstellung der in 1a dargestellten
Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombination in einer gegenüber 1a um 90° gedrehten Seitenansicht, teilweise
geschnitten,
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2a eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Pleuelstange
in einer Seitenansicht, geschnitten,
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2b eine
Seitenansicht zur 2a,
gesehen aus Ebene IIa-IIa'
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3 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Pleuelstange
in einer Seitenansicht, geschnitten, und
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4 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Pleuelstange
in einer Seitenansicht, geschnitten.
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Die 1a und 1b wurden bereits im Zusammenhang
mit dem Stand der Technik und der Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden
Aufgabe beschrieben.
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2a zeigt
in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform
einer Pleuelstange 1 in einer Seitenansicht und geschnitten.
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Es handelt sich um eine Ausführungsform der
Pleuelstange 1, bei der die Bohrung 12, ohne einen
mittleren Teil von gleichem Durchmesser aufzuweisen, sich ausgehend
von der Mitte 15 zu ihren offenen Enden 14a, 14b hin
erweitert. Diese Ausführungsform
ist bei Pleuel-Kolben-Bolzen-Kombinationen
zu bevorzugen, bei denen die Deformation des Bolzens 4,
insbesondere in Richtung seiner Längsachse 7, verhältnismäßig stark
ausgeprägt
ist, und es sich empfiehlt, dieser starken Biegung des Bolzens 4 unter
Last dadurch Rechung zu tragen, dass die Bohrung 12 sich
bereits ausgehend von ihrer Mitte zu ihren offenen Enden 14a, 14b hin
erweitert.
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Die Bohrung 12 erweitert
sich zu ihren offenen Enden 14a, 14b hin trompetenförmig, wodurch ebenfalls
gerade einer stark ausgeprägten
Durchbiegung des Bolzens 4, bei der der Bolzen 4 nahezu über seine
gesamte Länge
gekrümmt
ist, begegnet werden kann. Bei einer trompetenförmigen Erweiterung 16 nimmt
ein gedachten Winkel α zwischen
der Bohrungslängsachse 10 der
Lagerung 2 und einer an der Innenseite der Lagerfläche anliegenden
Tagenten mit zunehmender Erweiterung 16 nach außen hin zu.
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2b zeigt
eine Seitenansicht, gesehen aus Ebene IIa-IIa' auf die 2a,
eines Pleuelauges 3 mit einer erfindungsgemäßen Lagerbohrung 12. Man
erkenn hier, dass die Lagerbohrung 12 im Bereich der Mitte 15 eine
ovalförmige
Kontur 18 aufweist, deren Erstreckung quer zur Längsachse 11 des
Pleuels 1 größer ist
als die Erstreckung in Richtung der Pleuellängsachse 11. Der Durchmesser
des Kolbenbolzens 4 ist hier schematisch (strichpunktiert)
um das Lagerspiel kleiner als die minimale Erstreckung der ovalförmigen Kontur 18 quer
zur Längsachse 11 angedeutet.
Des weiteren zeigt die 2b die
End-Kontur 19 der Lagerbohrung 12 im Bereich des
offenen Endes 14a, welche in Richtung der Pleuellängsachse 11 eine
größere Erstreckung als
die im Bereich der Mitte 15 (Kontur 18) aufweist.
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3 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform
einer Pleuelstange 1 in einer Seitenansicht und geschnitten.
Diese Ausführungsform
der Pleuelstange 1, bei denen die Bohrung r im
mittleren Teil 13 von gleichem Durchmesser ist und sich
erst zu ihren offenen Enden 14a, 14b hin erweitert,
bietet dem Kolbenbolzen 4 eine stabile axiale Führung im
kleinen Pleuelauge 3. Die Erweiterungen 16 zu
den offenen Enden 14a, 14b hin sind – wie bei
der Ausführungsform
gemäß 2a – trompetenförmig ausgebildet.
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Figur 4 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine dritte Ausführungsform
einer Pleuelstange 1 in einer Seitenansicht und geschnitten.
Diese Ausführungsform
der Pleuelstange 1, bei denen die Bohrung 12 – wie schon
in 3 dargestellt – im mittleren
Teil 13 von gleichem Durchmesser ist und sich erst zu ihren
offenen Enden 14a, 14b hin erweitert, bietet dem
Kolbenbolzen 4 eine stabile axiale Führung im kleinen Pleuelauge 3.
Die Erweiterung zu den offenen Enden 14a, 14b hin
ist konusförmig
ausgebildet.
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- 1
- Pleuelstange
- 2
- Lagerung
- 3
- kleines
Pleuelauge
- 4
- Kolbenbolzen
- 5a
- Ende
des Kolbenbolzens
- 5b
- Ende
des Kolbenbolzens
- 6
- Kolben
- 7
- Längsachse
des Kolbenbolzens
- 8
- Längsachse
des Kolbens
- 9
- Zylinderrohrlängsachse
- 10
- Längsachse
des Pleuelauges
- 11
- Längsachse
der Pleuelstange
- 12
- Bohrung
- 13
- mittlerer
Teil
- 14a
- offenes
Ende der Bohrung
- 14b
- offenes
Ende der Bohrung
- 15
- Mitte
- 16
- Erweiterung
- 17
- mittlerer
Abschnitt
- 18
- Kontur
(Mitte)
- 19
- Kontur
(außen)
- α
- Winkel