DE2918028B1

DE2918028B1 - Verfahren zum Anbringen eines Pleuels auf dem Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2918028B1
Application number: DE2918028A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl-Ing Dommes; Siegfried Dr Schaeper; Anton Dr Wimmer
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG; Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1980-09-04
Also published as: DE2918028C2; US4408380A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen eines Pleuels auf dem Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Ein gattungsgemäßes Anbringen eines Pleuels für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ist in der Zeitschrift »Design Engineering« vom Febr. 1969 beschrieben. Diese zeigt ein mit Kohlenstoffasern verstärktes Pleuel aus Epoxydharz, in das eine einteilige Lagerbüchse integriert ist. Die Montage eines solchen Pleuels setzt jedoch eine mehrteilige Kurbelwelle voraus, deren Einzelteile aufgrund der hohen Belastungskriterien sehr genau gefertigt und sorgfältig zusammengebaut werden müssen, so daß eine derartige Kurbelwellen-Pleuel-Baugruppe insbesondere bei vielzylindrigen Brennkraftmaschinen relativ aufwendig und teuer wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem ein oder mehrere gattungsgemäße Pleuel relativ einfach und kostengünstig auf die jeweiligen Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle aufbringbar sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine unkomplizierte, schnell aufrüstbare und wenig Bauraum erforderliche Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Pleuel noch vor der Einbindung der in zwei Lagerschalen unterteilten Lagerbüchse zusammen mit einer Lagerschale auf die Kurbelwelle aufzusetzen, die zweite Lagerschale hinzuzufügen, dann die Verbindung Lagerbüchse-Pleuelstange herzustellen und schließlich das Pleuel in bekannter Weise auszuhärten. Obwohl der Herstellungsaufwand für das Pleuel gegenüber dem bekannten Pleuel kaum vergrößert wird, kann dadurch eine kostengünstige, einteilige Kurbel-

OWGlNAL !NSPEGTED

3 4

welle Anwendung finden. fach ausgebildet; Einstellungs- und Einrichtarbeiten

Ist das Pleuel an seinem der Lagerbüchse entgegen- sind nicht erforderlich.

gesetztem Ende mit einer Büchse für die Aufnahme Falls eine definierte Vorspannung der Pleueleinzeleines Kolbenbolzens und mit einem dazwischen an- teile auf dem Hubzapfen aufgrund gegebener ToIegeordnetem Stützteil versehen, so kann zweckmäßig 5 ranzen nicht gewährleistet ist, können die Konsolen entsprechend den Merkmalen des Patentanspruches 2 gemäß Patentanspruch 10 ausgebildet sein, so daß verfahren werden. nunmehr die Vorspannung mittels auf Gleitstücke

Es ist zwar bekannt (DE-OS 2657 832), bei einem wirkender Schrauben einstellbar ist. Es versteht sich, Schäkel, vorzugsweise für die Flügelaufhängung im daß dabei auf eine exakte Parallelität zwischen dem Rumpf von Luft- und Raumfahrzeugen, zwei durch io Hubzapfen und der Büchse zu achten ist. einen Druckkern bzw. ein Stützteil in einem bestimm- Eine zweckmäßige Spannvorrichtung für die zweite

ten Abstand gehaltene Metallbüchsen durch Umwik- Lagerschale ist den Merkmalen des Patentansprukeln mit kohlefaserverstärktem Kunststoff zu verbin- ches 11 entnehmbar. Da diese an den Konsolen zum den. Die an dem Schäkel wirkenden Druckkräfte Aufspannen der Pleuelstange und der ersten Lagerwerden somit wie bei der vorliegenden Erfindung von 15 schale abgestützt bzw. an diesem befestigbar ist, kann dem Stützteil, die Zugkräfte hingegen von der Faser- sie in Form von einfachen Spannbrücken ausgeführt Umwicklung aufgenommen. Der bekannte Schäkel sein. Die Spannbrücken können gemäß Patentankann jedoch die Gesamtheit der Merkmale des Pa- spruch 12 die Lagerschale nur an ihren Umfangsräntentanspruches 2 nicht nahelegen, da weder geteilte dern umfassen, so daß nahezu die gesamte Lager-Lagerschalen verwendet werden, noch eine gemein- 20 schale ohne Behinderung umwickelt werden same Herstellung mit einem gelenkig anschließenden kann.

Bauteil erfolgt. Durch die Merkmale des Patentanspruchs 13

Durch den Verfahrensschritt gemäß Patentan- schließlich wird ein Verkanten oder Kippen der spruch 3 wird ein exakter Paßsitz der Pleuelteile zu- Spannbrücken aufgrund ihrer asymmetrischen, einander und in Orientierung zum Hubzapfen wäh- 25 schmalen Kraftangriffsflächen an den Umfangsränrend des Umwickeins mit Fasern und Matrixmaterial dern der Lagerschale vermieden, gewährleistet. Es versteht sich, daß diese Spannung Die Erfindung wird in der anschließenden Beerst nach dem Aushärten des Pleuels abgebaut werden Schreibung anhand eines Ausführungsbeispieles näher sollte. erläutert. Es zeigt

Die Vorspannung kann zweckmäßig durch die 30 Fig. 1 einen Abschnitt einer Kurbelwelle einer Merkmale des Patentanspruches 4 bewirkt werden. Brennkraftmaschine mit einem aufgespanntem Die Umfangsgröße der Baugruppe Kurbel- Pleuen und der Spannvorrichtung im Schnitt gemäß welle-Pleuel in der Aufspannstellung kann durch das Linie I-I der Fig. 2, und

Merkmal des Patentanspruches 5 verringert werden, Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie H-II der Fig. 1.

wodurch auch der Vorrichtungs- und Maschinenauf- 35 In den Figuren ist ein Abschnitt einer einteiligen wand kompakter sein kann. Kurbelwelle 2 einer Vierzylinder-Brennkraftma-

Mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 wird schine gezeigt. Zwischen den beiden abgebrochen sichergestellt, daß die Lagerschalen mit der nötigen dargestellten Lagerzapfen 4,6 und zwei an die Lager-Vorspannung im Pleuel eingebunden werden, wo- zapfen 4,6 anschließenden Kurbelwangen 8,10 ist ein durch ein definiertes Lagerspiel und eine den Bean- 40 Hubzapfen 12 ausgebildet. Auf dem Hubzapfen 12 spruchungen entsprechende Festigkeit der Lager- sind zwei in einer Ebene längs seiner Mittelachse gebüchse erreicht wird. Zweckmäßig kann dabei gemäß teilte, eine Lagerbüchse bildende Lagerschalen 14,16 Patentanspruch 7 verfahren werden, weil dadurch der angeordnet. Die Lagerschalen 14,16 können bekann-Vorrichtungsaufwand und die Auf- und Abrüstzeit ter Bauart sein bzw. aus einer Stahlschale mit einer der Vorrichtung verringert wird. 45 dünnen Schicht aus einem Gleitlagermaterial beste-

Bei einer Kurbelwelle mit mehreren Hubzapfen hen. Die Lagerschale 14 sitzt in einem aus Epoxydharz und Pleueln kann insbesondere bei einer Massenfeiti- und einem Glasfasergewebe gebildetem Stützteil 18, gung gemäß Patentanspruch 8 verfahren werden. Die an dessen gegenüberliegenden Ende mit dem halben bereits erwähnten Einzelteile der Pleuel werden wie Umfangsbereich eine Büchse 20 eingesetzt ist. Die beschrieben auf die Hubzapfen aufgespannt und dann 50 Büchse 20 dient in bekannter Weise zur Aufnahme durch Drehen der Kurbelwelle relativ zu den entspre- eines Kolbenbolzens. Auf den Kurbelwagen 8,10 sind chenden Zuführspulen beispielsweise mit mit Epo- gegenüber dem Hubzapfen 12 zwei plane Paßflächen xydharz getränkten Glasfasern umwickelt. Sowohl das 22, 24 mit je zwei Paßbohrungen 26, 28 angeordnet. Umwickeln der Pleuel als auch deren Aushärtung Diese dienen zur Aufnahme zweier Konsolen 30,32, kann somit in wirtschaftlicher Weise in einem gemein- 55 die mit korrespondierenden, planen Flächen mit je samen Arbeitsgang erfolgen. zwei Paßstiften 34, 36 versehen sind und somit einen

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durch- definierten Abstand und eine definierte Lage zum führung des Verfahrens ist mit den Merkmalen des Hubzapfen 12 einnehmen.

Patentanspruches 9 gekennzeichnet. Durch das An- Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, weisen die Konso-

ordnen einer Paßfläche bzw. Justierfläche für die 60 len 30,32 zwischen sich einen Abstand s auf, der nur Konsolen können die Pleuelstangen bzw. die eine La- geringfügig größer als die Breite des Stützteiles 18 und gerschale, der Stützkörper und die Büchse für den die Länge der Büchse 20 ist, so daß durch das Aufset-Kolbenbolzen mit einer definierten Vorspannung ge- zen der Konsolen 30, 32 das Stützteil 18 und die gen den Hubzapfen gespannt werden, wobei die Kon- Büchse 20 senkrecht zum Hubzapfen 12 justiert solen zugleich die Führung des Stützkörpers senkrecht 65 sind.

zur Achse des Hubzapfens und die der Büchse parallel In den Konsolen 30, 32 sind Durchbrüche 38, 40

zu dieser Achse bewirken. Die auf die Paßflächen der eingearbeitet, in denen je ein Gleitstück 42, 44 senk-Kurbelwelle aufgesetzten Konsolen sind relativ ein- recht zum Hubzapfen 12 verschiebbar geführt ist. Je-

5 6

des Gleitstück ist mit einer Bohrung 46, 48 parallel 30, 32 an die Paßflächen 22, 24 angepreßt. Durch

zum Hubzapfen 12 versehen, deren Durchmesser Anziehen der Schrauben 50, 52 werden dann die

gleich dem Innendurchmesser der Büchse 20 ist. Die Gleitstücke 42, 44 und damit der Bolzen 58 gegen

Gleitstücke 42, 44 können mittels in den Konsolen den Hubzapfen 12 verstellt, wodurch nunmehr auch

30, 32 angeordneten Schrauben 50, 52 in Richtung 5 die Lagerschale 14, das Stützteil 18 und die Büchse

senkrecht zum Hubzapfen 12 verstellt werden. Anden 20 mit einer definierten Kraft gegen den Hubzapfen

Gleitstücken 42, 44 sind Paßstifte 54, 56 angeformt, 12 gespannt werden. Es versteht sich, daß man für

die in korrespondierenden Paßbohrungen der Schrau- das Drehen der Schrauben 50, 52 eine Vorrichtung

ben 50,52 eine Führung bilden. Zur Vorrichtung zählt wählen wird, bei der die die Köpfe der Schrauben 50,

weiter ein rohrförmiger Bolzen 58, der beim Auf span- t ο 52 umfassenden Werkzeuge trieblich derart gekoppelt

nen der Teile durch die Gleitstücke 42, 44 und durch sind, daß beide Schrauben 50,52 mit gleicher Winkel-

die Büchse 20 geschoben wird. geschwindigkeit und gleichen Drehwinkeln betätigt

An jeder Konsole 30, 32 sind zum Beispiel mittels werden, so daß die Verstellung der Gleitstücke 42,

einer Schraubverbindung (nicht dargestellt) zwei zy- 44 bzw. des Bolzens 58, parallel zur Drehmittelachse

lindrische Bolzen 60,62 befestigt, die sich jeweils bei- 15 80 erfolgt.

derseits des Hubzapfens 12 (s. Fig. 2) erstrecken und Die nunmehr auf die Kurbelwelle 2 aufgespannten jeweils mit einem Gewindeteil enden. Auf die Bolzen Teile des Pleuels werden dann durch Aufbringen eines 60,62 sind im wesentlichen U-f örmige Spannbrücken Matrixmaterials aus Kunstharz und durch Umwickeln 64, 66 aufgesetzt, die durch auf die Bolzen 60, 62 mit Verstärkungsfasern z.B. aus Metall, Kohlenstoff, aufgeschraubte Muttern 68,70 gegen den Hubzapfen 20 Bor, Glas, Kunststoff usw. um deren radiale Um-12 spannbar sind. An die Spannbrücken 64, 66 sind fangsbereiche zu einem stabilen, hohe Festigkeit bei Ansätze 72, 74 angeformt, in die die Bolzen 60, 62 geringem Gewicht aufweisenden Pleuel verbunden, aufnehmende Bohrungen eingebracht sind und die als Im Ausführungsbeispiel wird die Kurbelwelle 2 Teleskopführungen dienen. An jede Spannbrücke 64, nach dem Aufspannen der Pleuelteile um ihre Dreh-66 ist an dem auf die Lagerschale 16 wirkenden Be- 25 mittelachse 80 gedreht und dabei das Pleuel mit einem reich ein halbkreisförmiger, um den Umfangsrand der mit Epoxydharz als Matrixmaterial getränktem Glas-Lagerschale 16 umlaufender Steg 76, 78 angeformt, faden bis zu einem mit gestrichelten Linien 82 angeder die Lagerschale 16 an ihren Umf angsrand umfaßt deuteten Umfang umwickelt. Während der Drehung und gegen den Hubzapfen 12 spannt. der Kurbelwelle 2 kann die den Glasfaden abgebende

Bei der Herstelung eines Pleuels wird wie nächste- 30 Zuführspule (nicht dargestellt) mit einem der Stärke

hend beschrieben verfahren: Es wird ein Stützkörper des Glasfadens entsprechendem Vorschub axial hin-

18 aus zum Beispiel Epoxydharz und Glasfasergewebe und herverschoben werden, so daß die auf das Pleuel

erstellt, wobei das Glasfasergewebe eine Gitterstruk- über dessen Umfang gewickelten Windungen schrau-

tur mit zur Hauptbelastungsrichtung schräg sich über- benförmig verlaufen.

kreuzenden Glasfasern zur Erzielung einer hohen 35 Nach dem Umwickeln des Pleuels erfolgt dessen Druck-, Zug- und Biegefestigkeit aufweist. An den Aushärtung, welche je nach dem verwendeten Ma-Enden ist der Stützkörper 18 jeweils halbkreisförmig trixmaterial bzw. dessen Zusammensetzung durch mit einem der Lagerschale 14 bzw. der Büchse 20 ent- kurzzeitige Wärmezufuhr oder durch Abwarten dessprechenden Krümmungsradius eingebuchtet. In sen Reaktionszeit vor sich geht. Nachdem Aushärten diese Einbuchtung werden die Büchse 20 und die La- 40 werden die Konsolen 30, 32 und die Spannbrücken gerschale 14 eingelegt. Die Lagerschale 14 kann in 64, 66 durch Lösen der Muttern 68, 70 und Herausbekannter Weise eine Lagesicherung (nicht darge- ziehen des Bolzens 58 abgenommen; das Pleuel ist stellt) z. B. in Form eines in das Material des Stützkör- fertiggestellt und zugleich auf der Kurbelwelle 2 einpers 18 ragenden Vorsprunges aufweisen. baufertig montiert.

Anschließend wird die so gebildete Pleuelstange auf 45 Bei einer Massenfertigung wird man vorteilhaft den Hubzapfen 12 aufgesetzt. Die Konsolen 30, 32 gleich an allen Hubzapfen der Kurbelwelle die Pleuelwerden dann auf die Paßflächen 22, 24 der Kurbel- teile aufspannen und diese dann in einem Arbeitsgang wangen 8, 10 aufgesetzt und mit der Pleuelstange unter Verwendung vieler Zuführspulen umwickeln durch Einschieben des Bolzens 58 in die Gleitstücke und aushärten, da damit eine beträchtliche Zeitein-42, 44 und die Büchse 20 verbunden. In dieser Stel- 50 sparung erzielbar ist.

lung schneidet die auf den Hubzapfen 12 aufgesetzte Der Aufspannvorgang der Pleuelstange sowie der Pleuelstange die durch die Mitten der Lagerzapfen 4, Vorrichtungsaufwand kann auch dadurch vereinfacht 6 verlaufende Drehmittelachse 80, wodurch die Pleu- werden, daß die Bohrungen 46, 48 für die Aufnahme elstange nur wenig über die Peripherie der Kurbel- des Bolzens 58 unmittelbar in den Konsolen 30, 32 wange 8,10 hinausragt und zudem ein günstiger Be- 55 eingebracht sind, wodurch die Gleitstücke 42,44, die reich für die Anbringung der Paßflächen 22, 24 Schrauben 50,52 und deren Verstellvorrichtung entbestimmt ist. fallen können. Dies setzt jedoch voraus, daß die Ein-

Anschießend wird die zweite Lagerschale 16 auf zelteile der Pleuelstange so maßgenau gefertigt sind, den Hubzapfen 12 aufgelegt und durch Aufschieben daß beim Anpressen der Konsolen 30, 32 an die Paßder Spannbrücken 64,66 und Aufschrauben der Mut- 60 flächen 22, 24 die erforderliche Vorspannung der tern 68,70 gegen den Hubzapfen 12 gespannt. Auf- Pleuelstange, insbesondere ein fester Sitz der Lagergrund der Reaktionskraft werden auch die Konsolen schalen 14, 16, gewährleistet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anbringen eines Pleuels auf den Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle, insbesondere für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei das Pleuel aus einem faserverstärkten Werkstoff besteht, in dem eine Lagerbüchse eingebettet ist, die mittels von einem Pleuelschaft um die Lagerbüchse und zurück verlaufender, in io" ausgehärtetem Kunststoff eingebetteter Fasern gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Lagerschale (14) einer geteilten Lagerbüchse mit dem Pleuelschaft auf dem Hubzapfen (12) der Kurbelwelle (2) aufgesetzt wird,

b) die zweite Lagerschale (16) auf den Hubzapfen (12) aufgebracht, und

c) die Lagerbüchse auf dem Hubzapfen (12) durch Umwickeln mit Fasern und Aufbringen von härtbarem Kunststoff mit dem Pleuelschaft durch Aushärten des Kunststoffes fest verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pleuel an dem der Lagerbüchse entgegengesetzten Ende eine weitere Büchse aufweist und zwischen der Lagerbüchse und der weiteren Büchse ein Stützteil eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Büchse (20), das Stützteil (18) und eine Lagerschale (14) der Lagerbüchse auf den Hubzapfen (12) aufgesetzt werden,

b) die zweite Lagerschale (16) auf den Hubzapfen (12) aufgebracht wird, und

c) die Teile anschließend in an sich bekannter Weise durch Umwickeln mit Fasern und Aufbringen von Matrixmaterial fest miteinander verbunden werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange während des Umwickeins mit Fasern gegen den Hubzapfen (12) gespannt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Büchse (20) ein Bolzen (58) gesteckt wird, der gegen den Hubzapfen (12) gespannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange in der Aufspannstellung die Drehachse (80) der Kurbelwelle (2) schneidet.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagerschale (16) gegen die erste Lagerschale (14) gespannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lagerschalen (14, 16) mittels einer zu einer Einheit verbindbaren Vorrichtung gegeneinander gespannt werden.

8. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, an einer Kurbelwelle mit mehreren Hubzapfen und Pleueln, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Pleuel aufgespannt und durch Drehen der Kurbelwelle (2) gleichzeitig mit Fasern umwickelt werden.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfah- r₃5 rens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß an den dem Hubzapfen (12) benachbarten Kurbelwangen (8, 10) der Kurbelwelle (2) Paßflächen (22, 24) aufgebracht sind, auf denen Konsolen (30,32) abgestützt sind, die den die Büchse (20) durchsetzenden Bolzen (58) aufnehmen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Konsolen (30, 32) den Bolzen (58) aufnehmende Gleitstücke (42, 44) geführt sind, welche mittels Schrauben (50, 52) relativ zu den Konsolen (30, 32) verstellbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an den Konsolen (30, 32) Bolzen (60, 62) angeordnet sind, welche in der Aufspannstellung beiderseits des Hubzapfens (12) verlaufen und an welchem die Lagerschale (16) umfassende Spannbrücken (64, 66) befestigbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbrücken (64, 66) die Lagerschale (16) nur beiderseits ihres Umfangsrandes umfassen.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbrükken (64,66) auf den Bolzen (60, 62) teleskopisch geführt sind.