DE19854462A1 - Geteiltes Pleuel, insbesondere für Verbrennungsmaschinen und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pleuel mit mindestens einem Pleuelauge, das mittels Bruchtrennung entlang einer Teilungsebene in Lagersattel und Lagerdeckel geteilt wird. Zur Einleitung der für die Bruchtrennung notwendigten Kräfte weist das Pleuelauge eine parallel zur Teilungsebene angeordnete Trennkerbe auf. Die bei der Bruchtrennung gebildete Trennfläche umgibt ringförmig die zur Verschraubung des Lagerdeckels auf den Lagersattel vorgesehene Durchgangslöcher. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die häufig bei Cracken des Pleuelauges entlang der ringförmigen Trennfläche auftretenden Doppelrisse zu vermeiden und gleichzeitig im Interesse der Festigkeit des gesamten Pleuels den Flächeninhalt der Trennfläche so groß wie möglich zu getalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bohrung gelöst, die parallel zur Teilungsebene verläuft und das Durchgangsloch mit der Wand des Pleuelauges außerhalb des Bereichs der Trennkerbe verbindet. Diese Bohrung durchschneidet die ringförmige Trennfläche und fängt die bei der Bruchtrennung auftretenden Teilrisse auf, so daß Doppelrisse vermieden werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein geteiltes Pleuel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Her­ stellung eines derartigen Pleuels gemäß Patentanspruch 5.

Aus der US 4 569 109 sind geteilte Lageranordnungen von Pleueln bekannt, die durch Abspalten eines die Lagerbohrung begrenzen­ den Lagerdeckels mittels Bruchtrennung (Cracken) gebildet sind. Durch Verwendung dieses Bruchtrennverfahrens wird ein paßgenau­ es Fügen von Lagerbasis und Lagerdeckel durch die Bruchflächen erreicht, so daß eine genaue Passung des feinbearbeiteten La­ gers auf der dazugehörigen Achse sichergestellt ist.

Um die zur Bruchtrennung des Lagerdeckels aufzubringenden Kräf­ te zu reduzieren, können, wie in der EP 0 800 009 beschrieben, als Rohling Sinterteile verwendet werden, die aufgrund ihrer Materialsprödigkeit geringere Bruchkräfte erfordern. Alternativ kann bei durch Gußverfahren hergestellten Lagerrohlingen, wie in der DE 43 34 555 beschrieben, die Bruchstelle durch Einlage­ rung eines spröden Materials gezielt versprödet werden. Beide Verfahren führen allerdings zu einer Schwächung des gesamten Werkstücks und sind daher nicht geeignet für die Herstellung von Lageranordnungen an Pleueln, die einer hohen Betriebsbela­ stung und großen Kräften ausgesetzt sind und daher besonders hohe Anforderungen an die Werkstoff-Festigkeit stellen. Ein Beispiel hierfür aus dem Automobilbau sind Pleuel für den Nutz­ fahrzeugbereich; die hier erforderlichen Festigkeiten werden vorzugsweise durch Schmiedeteile aus Stahllegierungen erreicht, deren Materialzusammensetzung so gewählt wird, daß einerseits eine hohe Zähigkeit gewährleistet ist, andererseits aber die Zumischung eines hohen Kohlenstoffanteils die Sprödigkeit er­ höht und somit die Crackbarkeit verbessert. Zur gezielten Bruchtrennung wird in das Pleuel im Bereich der Bruchtrenn­ ebene, vorzugsweise im Bereich der Lagerfläche, eine - mög­ lichst scharfe, V-förmige - Trennkerbe eingebracht, die als Ausgangspunkt für die im Brechvorgang zunächst gebildeten Star­ terrisse dient. Die beim Brechen entstehenden Solltrennflächen sind ringförmig ausgebildet und werden von außen durch die Querschnittsform des Pleuelauges, von innen durch die für die Verschraubung des Lagerdeckels an den Lagersattel vorgesehenen Durchgangslöcher begrenzt.

Bei einer solchen ringförmigen Solltrennfläche kann allerdings das Problem auftreten, daß die Bruchflächen, die - von der an der Wand des Pleuelauges befindlichen Trennkerbe ausgehend - in gegenläufigen Umlaufrichtungen die Schraubendurchführung umlau­ fen, sich am entgegengesetzten Ende nicht an der gleichen Stel­ le treffen. Dann resultieren Doppelbrüche und Risse, die im Ex­ tremfall von Materialausbrüchen begleitet sind und die zu einer Fehlstelle und zu einer Schwächung des Materials in dem ring­ förmigen Trennbereich führen. In Abhängigkeit von der Geometrie der Solltrennfläche sind bis zu 10%-15% der Teile nach dem Cracken mit solchen Fehlern behaftet; die Pleuel erfordern dann die an sie gestellten Festigkeitsanforderungen nicht mehr und gelten als Ausschuß. Eine Erhöhung der Ausbeute läßt sich er­ zielen, wenn der Querschnitt der Bruchstelle - und somit auch der Steg, an dem die Doppelbrüche normalerweise auftreten - sehr klein gewählt wird; das hat allerdings einen negativen Einfluß auf die Stabilität des Pleuels insgesamt.

Die obengenannte Problematik des Auftretens von Doppelbrüchen wird z. B. bei geschmiedeten Pleueln gemäß der US 3 994 054 ver­ mieden: Auf den Pleueln wird im Bereich jeder Solltrennfläche parallel zur Bruchebene eine Durchgangsbohrung gesetzt, die als Angriffspunkt für den Crackdorn dient und die Trennfläche in zwei (jeweils zusammenhängende) Teile teilt. Allerdings müssen hier die Innenwandungen der Durchgangsbohrungen mit Trennkerben versehen werden; dies ist einerseits sehr aufwendig, setzt an­ dererseits einen sehr großen Durchmesser der Bohrungen voraus und führt daher zu einer Schwächung des Pleuels im Bereich der Bruchfläche.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein durch Bruchtrennen geteiltes Pleuel so zu verbessern, daß das gesamte Pleuel mög­ lichst hohe Festigkeit aufweist, mit möglichst geringem Ferti­ gungsaufwand herzustellen ist und daß im Fertigungsprozeß ein möglichst geringer Ausschuß anfällt. Insbesondere ist es Aufga­ be der Erfindung, die zum Bruchtrennen benötigte Solltrennstel­ le so zu gestalten, daß möglichst große paßgenaue Fügeflächen entstehen, und daß gleichzeitig das Auftreten von Doppelbrüchen bei der Bruchtrennung minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruches 1 gelöst.

Danach enthält das Pleuel im Bereich jeder Solltrennfläche ein parallel zu dieser angeordnetes, röhrenförmiges Loch, das die Schraubendurchführung mit der Wand des Pleuelauges so verbin­ det, daß es außerhalb des Bereichs der Trennungskerbe in die Wand des Pleuelauges mündet. Dieses Loch fängt die beiden in gegensätzlicher Richtung die Schraubendurchführung umlaufenden Ausläufer der Bruchfläche auf und verhindert so das Auftreten von Doppelrissen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestal­ tung des Pleuels besteht daher in einer starken Verminderung des Ausschusses während des Crackprozesses. Der Lochdurchmesser kann dabei sehr klein gewählt werden, so daß der Flächeninhalt der Bruchfläche durch das Einbringen des Loches kaum vermindert und die Stabilität des Pleuels auch unter hohen Belastungen nicht beeinträchtigt wird. Das Loch wird zweckmäßigerweise dia­ metral gegenüber der Trennkerbe angeordnet, so daß beide Aus­ läufer der Bruchfläche einen Weg gleicher Länge zurücklegen, bevor sie auf das Loch treffen. Weiterhin hat es sich als gün­ stig erwiesen, das Loch durch ein zweites, in die Trennkerbe mündendes Loch zu ergänzen, so daß die Trennfläche durch diese beiden Löcher in zwei getrennte Einzelflächen aufgeteilt wird, von denen jede während des Crackvorgangs getrennt aufgebrochen wird. Die Löcher werden zweckmäßigerweise durch Bohren während der spanenden Bearbeitung erzeugt und erfordern daher nur einen kleinen zusätzlichen Arbeitsschritt.

Die zur Erzeugung der Starterrisse beim Bruchtrennen des Pleue­ lauges benötigte Trennkerbe wird in einer bevorzugten Ausfüh­ rung durch Räumen angebracht; das hat den fertigungstechnischen Vorteil, daß dieser Arbeitsschritt im Zuge der spanenden Bear­ beitung erfolgen kann. Alternativ kann die Trennkerbe mit Hilfe der Laserbearbeitung angebracht werden; mit diesem Verfahren kann gewährleistet werden, daß der Bruch reproduzierbar exakt durch die Trennkerbe hindurch verläuft, was zu einer erhöhten Prozeßsicherheit des Crackprozesses führt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Pleuels mit einem geteilten Pleuelauge;

Fig. 2 einen Schnitt II-II durch das Pleuelauge von Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Trennfläche des Pleuelauges mit während des Crackvorgangs entste­ henden Rißverläufen in den Trennflächen; so zeigt

Fig. 3a ein Pleuelauge ohne Loch parallel zur Trennfläche im ungekerbten Bereich des Pleuelauges,

Fig. 3b ein Pleuelauge mit einem Loch parallel zur Trennfläche im ungekerbten Bereich des Pleuelauges und

Fig. 3c ein Pleuelauge mit zwei Löchern parallel zur Trennfläche des Pleuelauges in unter­ schiedlichen Bereichen.

In Fig. 1 ist ein geteiltes Pleuel 1 dargestellt, das aus ei­ nem Pleuelschaft 2, einem Pleuelkopf 3 und einem Pleuelauge 4 besteht. Die Teilungsebene A stellt die Sollbruchstelle für die Bruchtrennung des Pleuelauges 4 in Lagersattel 5 und Lagerdec­ kel 6 dar. Im Bereich der Ebene A ist das Pleuel mit Trennker­ ben 9a und 9b versehen; sie sind in der hier dargestellten be­ vorzugten Ausführung - bedingt durch das gewählte Crackverfah­ ren - im Inneren des Pleuelauges 4, d. h. im Bereich des Lagers, angebracht. Weiterhin sind im Bereich der Teilungsebene A Durchführungen 7a und 7b für (nicht dargestellte) Befestigungs­ schrauben vorgesehen, die zur Befestigung des Lagerdeckels 6 auf dem Lagersattel 5 dienen.

In der Teilungsebene A befindet sich - wie aus Fig. 2 ersicht­ lich - auf jeder Solltrennfläche 10a und 10b ein Loch 11a bzw. 11b, das die Wand 8 des Pleuelauges 4 mit der Schraubendurch­ führung 7 verbindet. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführung ist dieses Loch 11 diametral gegenüber der Trennkerbe 9 ange­ ordnet. Das Loch 11 hat die Funktion, eine kontrollierte Bruchtrennung entlang der Teilungsebene A zu erreichen und Dop­ pelbrüche und Risse zu vermeiden.

Der Einfluß dieses Loches auf den Bruchvorgang ist im Detail in Fig. 3a-3c dargestellt: Die Solltrennfläche 10 verläuft ringförmig um die Schraubendurchführung 7 herum. Beim Cracken wird die Bruchtrennung an der Trennkerbe 9 eingeleitet, an der zunächst Starterrisse entstehen, die sich flächenhaft ausbrei­ ten und sich - wie in Fig. 3a durch die Pfeilrichtungen ange­ deutet - über die Bruchfläche hin fortpflanzen: Ein Teilriß 13a umläuft die Durchführung 7 im Uhrzeigersinn, während der andere Teilriß 13b die Durchführung 7 in entgegengesetzter Richtung umläuft. Die beiden Teilrisse 13a und 13b treffen in einem von der Trennkerbe 9 abgewandten Bereich aufeinander. Hier kann es geschehen, daß - wie in Fig. 3a dargestellt - die beiden Teil­ risse 13a und 13b nicht entlang einer gemeinsamen Linie inein­ ander münden, sondern einen Versatz 14 zueinander zeigen. Das hat zur Folge, daß beim Zusammentreffen der beiden Teilrisse ein Doppelbruch 15 entsteht. Das im Bereich der Doppelbruchli­ nien 15a und 15b vorhandene Material ist äußerst instabil und kann leicht abbröckeln, was zu einer irreparablen Fehlstelle im Bereich der Solltrennfläche 10 führt.

Durch das erfindungsgemäße, in Fig. 3b gezeigte Loch 11, das in der Bruchebene die Außenwand des Pleuelauges mit der Schrau­ bendurchführung 7 verbindet, wird dieser Fehler vermieden: Das Loch 11 fängt die von beiden Seiten kommenden Teilrisse 13a und 13b auf. Der Durchmesser des Loches 11 sollte hierfür zweckmä­ ßigerweise größer sein als der bei Doppelbruch auftretende Ver­ satz 14, der typischerweise 1-2 mm beträgt. Aus fertigungs­ technischen Gründen empfiehlt sich ein Lochdurchmesser von etwa 2-4 mm, der einfach zu bohren ist, gleichzeitig aber so klein gewählt ist, daß das Loch 11 das Pleuel 1 im Bereich der Tei­ lungsebene A nur geringfügig schwächt.

Damit das Loch 11 seiner Aufgabe als Teilrißfänger gerecht wer­ den kann, muß es so positioniert sein, daß es die durch die Wand 8 des Pleuelauges 4 und die Schraubendurchführung 7 gebil­ deten ringförmige Solltrennfläche 10 an einer Stelle durch­ sticht, die außerhalb der Trennkerbe 9 liegt. Gleichzeitig kann es z. B. aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein, zu­ sätzlich zu dem einen, außerhalb der Trennkerbe angebrachten Loch 11 weiterhin ein Loch 12 vorzusehen, das die Schrauben­ durchführung 7 mit der Wand des Pleuelauges 8 im Bereich der Trennkerbe 9 verbindet (siehe Fig. 3c). Durch die beiden Lö­ cher 11 und 12 wird die Solltrennfläche 10 in zwei getrennte Einzelflächen geteilt, von denen jede mit einem eigenen Teil der Trennkerbe 9 versehen ist, und die deswegen beim Cracken des Pleuels unabhängig durchbrochen werden.

Um - ausgehend von einem Rohteil - das in Fig. 1 dargestellte Pleuel zu erhalten, werden zunächst Pleuelkopf 3 und Pleuelauge 4 einer Feinbearbeitung unterzogen, d. h. die Lager werden mit der erforderlichen Genauigkeit gebohrt. Im gleichen Arbeits­ schritt werden auch die Löcher 11 (bzw. 11 und 12) im Bereich der Solltrennfläche 10 gebohrt. Weiterhin werden, falls notwen­ dig, die Schraubendurchführungen 7 im Pleuelauge 4 mit Innenge­ winden versehen. Außerdem werden im Bereich der Teilungsebene A des Pleuelauges 4 die Trennkerben 9 angebracht. Dies kann z. B. durch Räumen erfolgen, was den fertigungstechnischen Vorteil hat, daß die Herstellung der Trennkerben 9 im gleichen Arbeits­ gang erfolgen kann wie die restliche spanende Bearbeitung. Al­ ternativ können die Trennkerben 9 durch Laserbearbeitung ange­ bracht werden; dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die durch Laserkerben entstehende Trennkerbe 9 eine sehr exakte Soll­ bruchstelle darstellt und die reale Bruchfläche daher reprodu­ zierbar an der Trennkerbe beginnt und somit eine erhöhte Pro­ zeßsicherheit des Crackprozesses erreicht wird.

Das so präparierte Pleuelauge 4 wird dann durch Bruchtrennung entlang der Teilungsebene A in Lagersattel 5 und Lagerdeckel 6 geteilt. Hierzu wird ein entsprechend ausgebildetes Trennwerk­ zeug eingesetzt, mit Hilfe dessen Trennkräfte auf das Pleuelau­ ge ausgeübt werden, die zur Erzeugung von Starterrissen entlang der Trennkerbe und somit zu einer kontrollierten Bruchtrennung führen. Die Löcher 11 gewährleisten hierbei, daß im Bereich der Solltrennfläche 10 keine Doppelbrüche und Risse auftreten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für das Bruchtrennen von geschmiedeten Pleueln, da die üblicherweise an Schmiedepleuel gestellten Festigkeitsanforderungen mit der er­ findungsgemäßen Ausgestaltung der großen paßgenauen Fügeflächen besonders gut erfüllt werden können. Das Verfahren kann jedoch selbstverständlich auch auf Pleuel angewendet werden, deren Rohteile aus Sinter-, Guß oder Vollmaterial hergestellt wurden.

Claims (8)

1. Pleuel mit mindestens einem Pleuelauge,

• - das eine durch das Pleuelauge verlaufende Teilung auf­ weist, die durch Bruchtrennen des Pleuelauges gebildet ist,
• - wobei das Pleuelauge entlang jeder Solltrennfläche ab­ schnittsweise eine Trennkerbe aufweist,
• - und wobei jede Bruchtrennfläche in ihrem Inneren von einer Schraubendurchführung durchdrungen ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Pleuel (1) im Bereich jeder Solltrennfläche (10) ein parallel zu dieser angeordnetes Loch (11) enthält,
• - das die Schraubendurchführung (7) mit der Wand (8) des Pleuelauges (4) so verbindet, daß es außerhalb des Be­ reichs der Trennkerbe (9) in die Wand (8) des Pleuelauges (4) mündet.

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (11) auf der Solltrennfläche (10) diametral ge­ genüber der Trennkerbe (9) angeordnet ist.

3. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) im Bereich der Solltrennfläche (10) zu­ sätzlich zu dem parallel zur Solltrennfläche (10) und außer­ halb der Trennkerbe (9) verlaufenden Loch (11) ein weiteres parallel zur Solltrennfläche (10) verlaufendes Loch (12) aufweist, das jedoch in die Trennkerbe (9) mündet.

4. Pleuel nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Löcher (11, 12) kleiner ist als 5 mm.

5. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels mit mindestens einem Pleuelauge,

• - das eine durch das Pleuelauge verlaufende Teilung auf­ weist, die durch Bruchtrennen des Pleuelauges gebildet ist,
• - wobei jede Bruchtrennfläche in ihrem Inneren von einer Schraubendurchführung durchdrungen ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß auf einem Rohteil des Pleuels (1) im Bereich jeder Solltrennfläche (10) eine parallel zur Solltrennfläche (10) verlaufende Trennkerbe (9) angebracht wird,
• - und daß im Bereich jeder Solltrennfläche (10) ein parallel zu dieser angeordnetes, röhrenförmiges Loch (11) ange­ bracht wird, das die Schraubendurchführung (7) mit der Wand (8) des Pleuelauges (4) so verbindet, daß es außer­ halb des Bereichs der Trennkerbe (7) in die Wand (8) des Pleuelauges (4) mündet,
• - und daß schließlich das Pleuel (1) durch Bruchtrennung entlang der parallel zur Trennkerbe (9) gelegenen Soll­ trennfläche (10) geteilt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohteil des Pleuels (1) durch Schmieden hergestellt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkerbe (9) durch Räumen während der spanenden Bearbeitung des Pleuels (1) angebracht wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Pleuels nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkerbe (9) durch Laserbearbeitung angebracht wird.