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Die
Erfindung betrifft ein Pleuel für
eine Brennkraftmaschine mit einem großen Auge, mit einem kleinen
Auge und mit einem Pleuelschaft nach der im Oberbegriff von Anspruch
1 näher
definierten Art.
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Ein
gattungsgemäßes Pleuel
bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung ist aus der
DE 38 41 205 C2 bekannt.
Dieses Pleuel ist durch parallele Schnittlinien in Teilprofile mit
parallel verlaufenden Unter- und Oberflächen zerlegt, so dass sich
für das große und das
kleine Auge eine Konstruktion aus einer Vielzahl von übereinander
liegenden Schichten ergibt. Dies führt zu einem sehr aufwändigen Herstellungsverfahren,
insbesondere was die Verbindung der Einzelteile anbelangt, und es
ist außerdem
kein Cracken des großen
Auges möglich,
was mit einer erheblichen Zunahme an mechanischer Bearbeitung verbunden
ist.
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In
der
DE 37 08 760 A1 ist
eine Pleuelstange für
einen Hubkolbenmotor beschrieben, welche hohl gegossen ist, wobei
in die Wand zur Festigkeitserhöhung
eine Faserwicklung eingegossen ist. Zwar ist die dort beschriebene
Pleuelstange sehr leicht und somit für den Rennsporteinsatz sehr
gut geeignet, ihr Herstellungsverfahren ist jedoch sehr aufwändig und damit
entsprechend teuer.
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Ein
Pleuel mit einem aus Faserverbundwerkstoff bestehenden Pleuelschaft
ist in der
DE 37 20 065
A1 beschrieben. Hierbei ist ein auf Zug beanspruchtes,
den Pleuelschaft und zumindest das kleine Auge schlaufenartig umschließendes,
flexibles Spannband vorgesehen, welches in Nuten des großen Auges
eingehängt
ist, um eine Lagerbrücke
mit dem Pleuelschaft zu verbinden.
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In
der
DE 102 05 271
A1 ist ein Pleuel beschrieben, welches zu seinem überwiegend
größten Teil
aus einem Titanwerkstoff besteht, wobei das große und das kleine Auge von
jeweiligen Bauteilen umgeben sind, die zu ihrem überwiegenden Teil in Umfangsrichtung
des großen
Auges ausgerichtete, in einer Matrix eines zu Titan artgleichen
Werkstoffs eingebettete Fasern aus einem Kohlenstoffwerkstoff aufweist.
Bei solchen langfaserverstärkten
Werkstoffen ist es jedoch erforderlich, dass die Fasern zum Erreichen
von optimalen Festigkeitswerten in Belastungsrichtung ausgerichtet
sind. Bei einem Pleuel mit einer Trennstelle im Bereich des großen Auges
ist dies jedoch nur sehr eingeschränkt möglich, weshalb faserverstärkte Pleuel
meist einteilig ausgeführt
werden. Ein solches einteilig ausgeführtes Pleuel erfordert jedoch
eine gebaute Kurbelwelle, was wiederum mit sehr großem Aufwand
verbunden ist.
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Aus
der
DE 30 04 575 C2 ist
ein weiteres Pleuel bekannt, das eine Verstärkung in Form eines in ausgehärtetem Kunststoff
eingebetteten Faserstrangs aufweist, der um das kleine Auge herumgelegt
ist, parallel zum Pleuelschaft verläuft und sich im Bereich des
großen
Auges mit seinen Endbereichen beiderseitig quer zum Schaft bis in
den Bereich einer Verschraubung, mit der die beiden Teile des großen Auges
verschraubt sind, erstreckt.
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Sämtliche
der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind jedoch sehr aufwändig herzustellen,
so dass sie selbst für
Anwendungen im Rennsport nur sehr bedingt geeignet sind.
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Um
den Anforderungen, die an ein für
den Rennsport geeignetes Pleuel gestellt werden, gerecht zu werden,
wäre es
des weiteren möglich,
aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Schmiedepleuel mechanisch
zu bearbeiten und so deren Masse zu reduzieren. Auch eine solche
Vorgehensweise ist jedoch sehr aufwändig und führt zu einem annähernd unbezahlbaren
Pleuel.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine
zu schaffen, welches eine möglichst
niedrige Masse aufweist und dennoch einfach herzustellen ist. Des
weiteren soll das Pleuel für
gewöhnliche
geschmiedete Kurbelwellen geeignet sein, so dass auf gebaute Kurbelwellen
verzichtet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Aufteilung
des Pleuels in Einzelteile für
das große
Auge, das kleine Auge und den Pleuelschaft kann insbesondere im Bereich
des Pleuelschafts ein erhebliches Bauvolumen und somit eine entsprechende
Masse eingespart werden, so dass sich ein sehr leichtes und für den Rennsport
gut geeignetes Pleuel ergibt. Des weiteren ist es dadurch, dass
das große
Auge als separates Einzelteil ausgebildet ist, möglich, dieses in einfacher
Weise durch Cracken zu trennen und die beiden dadurch entstehenden
Teile zur Anbringung an einer Kurbelwelle mittels eines Verbindungselements zu
verbinden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung bietet
aufgrund der Tatsache, dass auch für geringfügig unterschiedliche Pleuel,
beispielsweise bei einer Veränderung
des Hubs der Kurbelwelle, teilweise identische Einzelteile verwendet
und somit Baukastensysteme geschaffen werden können, hohe Einsparpotentiale.
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In
einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement als
um den gesamten Umfang des großen
Auges verlaufendes Spannband ausgebildet ist. Dadurch kann auf die
ansonsten erforderlichen Schraubenbohrungen im Bereich des großen Auges verzichtet
werden. Zudem kann das Pleuel in diesem Bereich schmaler ausgeführt werden,
wodurch ein höherer
Freigang gegenüber
der Kurbelwelle und eine Gewichtsreduzierung erreichbar sind.
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Als
besonders geeignet zum Verbinden der Einzelteile hat sich Laserschweißen oder
Vakuumlöten
erwiesen. Der Vorteil dieser Verfahren liegt in der sehr hohen erzielbaren
Festigkeit, der hohen Prozessgeschwindigkeit und dem niedrigen Wärmeeintrag
in das Pleuel.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass das große Auge, das kleine Auge und
die den Pleuelschaft bildenden Plattenelemente aus einer mit Siliziumkarbid-Langfasern
verstärkten
Titanlegierung bestehen. Die Verwendung eines derartigen Materials
bringt eine weitere Reduzierung der Masse des erfindungsgemäßen Pleuels
mit sich, ohne dessen Festigkeit zu verringern.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Pleuels;
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2 einen
Schnitt nach der Linie II-II aus 1;
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3 eine
zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Pleuels;
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4 einen
Schnitt nach der Linie IV-IV aus 3;
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5 eine
dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Pleuels;
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6 einen
Schnitt nach der Linie VI-VI aus 5;
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7 eine
vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Pleuels;
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8 einen
Schnitt nach der Linie VIII-VIII aus 7; und
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9 ein
Schnitt nach der Linie IX-IX aus 7.
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1 zeigt
ein Pleuel 1 für
eine Brennkraftmaschine, deren Bauteile jedoch nicht dargestellt sind.
Das Pleuel 1 weist in an sich bekannter Weise ein großes Auge 2 zur
Verbindung mit einer Kurbelwelle, ein kleines Auge 3 zur
Verbindung mit einem Kolben und einen das große Auge 2 mit dem
kleinen Auge 3 verbindenden Pleuelschaft 4 auf.
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Insbesondere
aus dem Schnitt gemäß 2 ist
erkennbar, dass das große
Auge 2 und das kleine Auge 3 als jeweilige Einzelteile
ausgebildet sind, welche durch den Pleuelschaft 4 miteinander
verbunden sind. Der Pleuelschaft 4 ist aus zwei voneinander
beabstandeten Plattenelementen 5 und 6 gebildet,
welche die Verbindung zwischen dem großen Auge 2 und dem
kleinen Auge 3 herstellen. Zwischen den Plattenelementen 5 und 6 befindet
sich ein Zwischenraum 7, der zur Gewichtsreduktion des
Pleuels 1 beiträgt.
Die Verbindung der Plattenelemente 5 und 6 mit
dem großen
Auge 2 und dem kleinen Auge 3 erfolgt durch eine
stoffschlüssige
Verbindung, vorzugsweise durch Laserschweißen oder durch Vakuumlöten. Gegebenenfalls
wäre auch
das stoffschlüssige Verbindungsverfahren
Kondensatorschweißen
möglich.
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Vorzugsweise
bestehen das große
Auge 2, das kleine Auge 3 und die den Pleuelschaft 4 bildenden
Plattenelemente 5 und 6 aus einer mit Siliziumkarbid-Langfasern
verstärkten
Titanlegierung. Es ist jedoch auch möglich, dass die genannten Bauteile aus
hochfestem Stahl bestehen. Diese Materialien gewährleisten, dass das Pleuel 1 trotz
seiner geringen Masse eine ausreichende Festigkeit aufweist, so dass
es insbesondere für
den Einsatz im Rennsport geeignet ist. Selbstverständlich kann
das Pleuel 1 jedoch auch in Großserienanwendungen eingesetzt werden.
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Um
das Pleuel 1 mit der Kurbelwelle verbinden zu können, weist
das große
Auge 2 eine Trennebene bzw. Trennstelle 8 auf,
an der es durch Cracken getrennt und zum Anbringen an der Kurbelwelle
mittels wenigstens eines Verbindungselements 9 verbunden
wird. Durch die Trennstelle 8 wird das große Auge 2 in
zwei Teile geteilt, nämlich
ein erstes, wie oben beschrieben mit den Plattenelementen 5 und 6 verbundenes
Teil 2a und ein zweites, von dem ersten Teil 2a abnehmbares
Teil 2b. Im dargestellten Zustand sind die beiden Teile 2a und 2b mittels
als Schrauben 9a ausgebildeter Verbindungselemente 9 in
an sich bekannter Weise verbunden. Um diese Verbindung zu ermöglichen,
weist das erste Teil 2a des großen Auges 2 zwei nicht
dargestellte Gewindebohrungen auf und das zweite Teil 2b des
großen
Auges 2 ist mit entsprechenden, ebenfalls nicht dargestellten
Durchgangsbohrungen versehen.
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Die 3 und 4 zeigen
eine alternative Ausführungsform
des Pleuels 1. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß der 1 und 2 ist
das Verbindungselement 9 dabei als um den gesamten Umfang
des großen
Auges 2 verlaufendes Spannband 9b ausgebildet.
Die zum Zusammenhalten der beiden Teile 2a und 2b des
großen
Auges 2 erforderliche Kraft wird durch eine Spannschraube 9c aufgebracht,
mit welcher das Spannband 9b enger gestellt werden kann.
Im Schnitt gemäß 4 ist
erkennbar, dass das Spannband 9b auf der gegenüberliegenden Seite
der Spannschraube 9c durch den Zwischenraum 7 zwischen
den den Pleuelschaft 4 bildenden Plattenelementen 5 und 6 verläuft.
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Auf
diese Weise ist ebenfalls eine sichere Anbringung des Pleuels 1 an
der Kurbelwelle möglich,
wobei das große
Auge 2 in diesem Fall einen geringeren Bauraum erfordert
und somit einen größeren Freigang
gegenüber
der Kurbelwelle bietet. Statt des Spannbandes kann auch eine Metallschelle
zum Einsatz kommen.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform des
Pleuels 1 ist in den 5 und 6 dargestellt. Hierbei
weisen die beiden den Pleuelschaft 4 bildenden Plattenelemente 5 und 6 jeweilige
Sicken 10 auf, welche zur Versteifung des Pleuelschafts 4 beitragen.
Als Verbindungselemente 9 kommen wie bei der Ausführungsform
gemäß der 1 und 2 wiederum
die beiden Schrauben 9a zum Einsatz. Alternativ wäre es auch
hier möglich,
das Spannband 9b als das Verbindungselement 9 einzusetzen.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform des
Pleuels 1 ist in den 7, 8 und 9 dargestellt.
Hierbei ist zwischen den beiden den Pleuelschaft 4 bildenden
Plattenelementen 5 und 6 ein Abstützelement 11 angeordnet,
welches, wie in 9 zu erkennen ist, einen U-förmigen Querschnitt
aufweist. Dieses Abstützelement 11 erhöht die Festigkeit
des Pleuels 1 insbesondere im Bereich des Pleuelschafts 4.
Als Verbindungselemente 9 kommen wie bei der Ausführungsform
gemäß der 1 und 2 wiederum
die beiden Schrauben 9a zum Einsatz. Alternativ wäre es auch
hier möglich,
das Spannband 9b als das Verbindungselement 9 einzusetzen.
In diesem Fall wäre
es erforderlich, in dem Abstützelement 11 eine Öffnung zur
Durchführung des
Spannbands 3b vorzusehen.
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Das
Pleuel 1 wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst werden
die Einzelteile für
das große Auge 2,
das kleine Auge 3 und die Plattenelemente 5 und 6 hergestellt.
Das große
Auge 2 und das kleine Auge 3 können beispielsweise durch Fließpressen und
anschließendes
Ablängen,
zum Beispiel durch Absägen,
hergestellt werden. Die Plattenelemente 5 und 6 werden
vorzugsweise durch Stanzen hergestellt, wobei für das Plattenelement 5 und
das Plattenelement 6 vorzugsweise Gleichteile verwendet werden.
Gegebenenfalls wird hierbei die Sicke 10 in die Plattenelemente 5 und/oder 6 eingebracht.
Anschließend
werden das große
Auge 2 und das kleine Auge 3 mit den Plattenelementen 5 und 6 mittels
Laserschweißen
oder Vakuumlöten
verbunden, wobei gegebenenfalls das Abstützelement 11 zwischen
die Plattenelemente 5 und 6 eingebracht und ebenfalls durch
Laserschweißen
oder Vakuumlöten
mit denselben verbunden werden kann. Nach diesem Verbinden ergibt
sich ein Pleuelrohling, der in an sich bekannter Weise die mechanische
Endbearbeitung, also die Bohrungsbearbeitung des großen Auges 2 und
des kleinen Auges 3 sowie gegebenenfalls die Bearbeitung
der Planflächen,
durchlaufen kann. Nach der mechanischen Bearbeitung wird das große Auge 2 an
der Trennstelle 8 gecrackt und durch das Verbindungselement 9 beim
Anbringen an die Kurbelwelle verbunden.