DE2918028C2

DE2918028C2 - Verfahren zum Anbringen eines Pleuels auf dem Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2918028C2
Application number: DE2918028A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr. 8074 Gaimersheim Wimmer
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1979-05-04
Filing date: 1979-05-04
Publication date: 1981-05-07
Also published as: US4408380A; DE2918028B1

Description

der Lagerbüchse und der weiteren Büchse ein

Stützteil eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß

a) die Büchse (20), das Stützteil (18) und eine 30 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lagerschale (14) der Lagerbüchse auf den Anbringen eines Pleuels auf dem Hubzapfen einer Hubzapfen (12) aufgesetzt werden, einteiligen Kurbelwelle gemäß dem Gattungsbegriff

b) die zweite Lagerschale (16) auf den Hubzap- des Patentanspruches 1. Weiter bezieht sich die Erfinfen (12) aufgebracht wird, und dung auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Ver-

c) die Teile anschließend in an sich bekannter 35 fahrens.

Weise durch Umwickeln mit Fasern und Ein gattungsgemäßes Anbringen eines Pleuels für

Aufbringen von Matrixmaterial fest mitein- eine Hubkolben-Brennkraftmaschine ist in der Zeit-

ander verbunden werden. schrift »Design Engineering« vom Febr. 1969 be-

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, schrieben. Diese zeigt ein mit Kohlenstoffasern verdadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstange 40 stärktes Pleuel aus Epoxydharz, in das eine einteilige während des Umwickeins mit Fasern gegen den Lagerbüchse integriert ist. Die Montage eines solchen Hubzapfen (12) gespannt wird. Pleuels setzt jedoch eine mehrteilige Kurbelwelle vor-

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, da- aus, deren Einzelteile aufgrund der hohen BeIadurch gekennzeichnet, daß durch die Büchse (20) stungskriterien sehr genau gefertigt und sorgfältig zuein Bolzen (58) gesteckt wird, der gegen den Hub- 45 sammengebaut werden müssen, so daß eine derartige zapfen (12) gespannt wird. Kurbelwellen-Pleuel-Baugruppe insbesondere bei

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- vielzylindrigen Brennkraftmaschinen relativ aufwenkennzeichnet, daß die Pleuelstange in der Auf- dig und teuer wird.

spannstellung die Drehachse (80) der Kurbelwelle Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzu-

(2) schneidet. 50 zeigen, bei dem ein oder mehrere gattungsgemäße

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- Pleuel relativ einfach und kostengünstig auf die jeweidurch gekennzeichnet, daß die zweite Lagerschale ligen Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle auf-(16) gegen die erste Lagerschale (14) gespannt bringbar sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird. besteht darin, eine unkomplizierte, schnell aufrüst-

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge- 55 bare und wenig Bauraum erforderliche Vorrichtung kennzeichnet, daß die beiden Lagerschalen (14, zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

16) mittels einer zu einer Einheit verbindbaren Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den kenn-

Vorrichtung gegeneinander gespannt werden. zeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 ge-

8. Verfahren nach den vorhergehenden An- löst. Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, Sprüchen, an einer Kurbelwelle mit mehreren 60 das Pleuel noch vor der Einbindung der in zwei Lager-Hubzapfen und Pleueln, dadurch gekennzeichnet, schalen unterteilten Lagerbüchse zusammen mit einer daß sämtliche Pleuel aufgespannt und durch Dre- Lagerschale auf die Kurbelwelle aufzusetzen, die hen der Kurbelwelle (2) gleichzeitig mit Fasern zweite Lagerschale hinzuzufügen, dann die Verbinumwickelt werden. dung Lagerbüchse-Pleuelstange herzustellen und

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfah- &5 schließlich das Pleuel in bekannter Weise auszuhärten, rens nach den vorhergehenden Ansprüchen, da Obwohl der Herstellungsaufwand für das Pleuel gedurch gekennzeichnet, daß an den dem Hubzapfen genüber dem bekannten Pleuel kaum vergrößert wird, (12) benachbarten Kurbelwangen (8, 10) der kann dadurch eine kostengünstige, einteilige Kurbel-

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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 2 657 832), bei einem wirkender Schrauben einstellbar ist. Es versteht sich, Schäkel, vorzugsweise für die Flügelaufhängung im daß dabei auf eine exakte Paralleliiät 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- sis in Form von einfachen Spannbrücken ausgeführt Umwicklung aufgenommen. Der bekannte Schäkel sein. Die Spannbrücken können gemäß Patentankann jedoch die Gesamtheit der Merkmale des Pa- sprach 12 die Lagerschi Je nur an ihren Umfangsräntentanspruches 2 nicht nahelegen, da weder geteilte dem 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 Merkmsde des Patentanspruchs 13

Durch den Verfahrensschritt gemäß Patentan- schließlich wird ein Verkanten oder Kippen der sprach 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 dem 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; Ausfühiungsbeispieles näher sollte. erläutert. Es zeigt

Die Vorspannung kann zweckmäßig durch die 30 Fig. 1 einen Abschnitt einer Kurbelwelle einer

Merkmale des Patentanspruches 4 bewirkt wirden. 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 sprachungen 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 Patentansprach 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 Massenferti- 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 Paßlrahrungen 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 Konsoordnen einer Paßfläche bzw. Justierfläche für die _b0 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 Stützkorper 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 _fe5 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-

des Gleitstück ist mit einer Bohrung 46, 48 parallel zum Hubzapfen 12 versehen, deren Durchmesser gleich dem Innendurchmesser der Büchse 20 ist. Die Gleitstücke 42, 44 können mittels in den Konsolen 30, 32 angeordneten Schrauben 50, 52 in Richtung senkrecht zum Hubzapfen 12 verstellt werden. An den Gleitstücke ι 42, 44 sind Paßstifte 54, 56 angeformt, die in korrespondierenden Paßbohrungen der Schrauben 50,52 eine Führung bilden. Zur Vorrichtung zählt weiter ein rohrförmiger Bolzen 58, der beim Aufspan- ι <> nen der Teile durch die Gleitstücke 42, 44 und durch die Büchse 20 geschoben wird.

An jeder Konsole 30, 32 sind zum Beispiel mittels einer Schraubverbindung (nicht dargestellt) zwei zylindrische Bolzen 60,62 befestigt, die sich jeweils bei- ι "> derseits des Hubzapfens 12 (s. Fig. 2) erstrecken und jeweils mit einem Gewindeteil enden. Auf die Bolzen 60,62 sind im wesentlichen U-förmige Spannbrücken 64, 66 aufgesetzt, die durch auf die Bolzen 60, 62 aufgeschraubte Muttern 68,70 gegen den Hubzapfen -'o 12 spannbar sind. An die Spannbrücken 64, 66 sind Ansätze 72, 74 angeformt, in die die Bolzen 60, 62 aufnehmende Bohrungen eingebracht sind und die als Teleskopführungen dienen. An jede Spannbrücke 64, 66 ist an dem auf die Lagerschale 16 wirkenden Bereich ein halbkreisförmiger, um den Umfangsrand der Lagerschale 16 umlaufender Steg 76, 78 angeformt, der die Lagerschale 16 an ihren Umfangsrand umfaßt und gegen den Hubzapfen 12 spannt.

Bei der Herstelung eines Pleuels wird wie nächste- jo hend beschrieben verfahren: Es wird ein Stützkörper 18 aus zum Beispiel Epoxydharz und Glasfasergewebe erstellt, wobei das Glasfasergewebe eine Gitterstruktur mit zur Hauptbelastungsrichtung schräg sich überkreuzenden Glasfasern zur Erzielung einer hohen j5 Druck-, Zug- und Biegefestigkeit aufweist. An den Enden ist der Stützkörper 18 jeweils halbkreisförmig mit einem der Lagerschale 14 bzw. der Büchse 20 entsprechenden Krümmungsradius eingebuchtet. In diese Einbuchtung werden die Büchse 20 und die Lagerschale 14 eingelegt. Die Lagerschale 14 kann in bekannter Weise eine Lagesicherung (nicht dargestellt) z. B. in Form eines in das Material des Stützkörpers 18 ragenden Vorsprunges aufweisen.

Anschließend wird die so gebildete Pleuelstange auf den Hubzapfen 12 aufgesetzt. Die Konsolen 30, 32 werden dann auf die Paßflächen 22, 24 der Kurbelwangen 8, 10 aufgesetzt und mit der Pleuelstange durch Einschieben des Bolzens 58 in die Gleitstücke 42, 44 und die Büchse 20 verbunden. In dieser Stellung schneidet die auf den Hubzapfen 12 aufgesetzte Pleuelstange die durch die Mitten der Lagerzapfen 4, 6 verlaufende DicliiiiiUeläciise 80, wodurch die Pleuelstange nur wenig über die Peripherie der Kurbelwange 8,10 hinausragt und zudem ein günstiger Bereich für die Anbringung der Paßflächen 22, 24 bestimmt ist.

Anschießend wird die zweite Lagerschale 16 auf den Hubzapfen 12 aufgelegt und durch Aufschieben der Spannbrücken 64,66 und Aufschrauben der Muttern 68, 70 gegen den Hubzapfen 12 gespannt. Aufgrund der Reaktionskraft werden auch die Konsolen 30, 32 an die Paßflächen 22, 24 angepreßt. Durch Anziehen der Schrauben 50, 52 werden dann die Gleitstücke 42, 44 und damit der Bolzen 58 gegen den Hubzapfen 12 verstellt, wodurch nunmehr auch die Lagerschale 14, das Stützteil 18 und die Büchse 20 mit einer definierten Kraft gegen den Hubzapfen 12 gespannt werden. Es versteht sich, daß man für das Drehen der Schrauben 50, 52 eine Vorrichtung wählen wird, bei der die die Köpfe der Schrauben 50, 52 umfassenden Werkzeuge trieblich derart gekoppelt sind, daß beide Schrauben 50, 52 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit und gleichen Drehwinkeln betätigt werden, so daß die Verstellung der Gleitstücke 42, 44 bzw. des Bolzens 58, parallel zur Drehmittelachse 80 erfolgt.

Die nunmehr auf die Kurbelwelle 2 aufgespannten Teile des Pleuels werden dann durch Aufbringen eines Matrixmaterials aus Kunstharz und durch Umwickeln mit Verstärkungsfaser/i z. B. aus Metall, Kohlenstoff, Bor, Glas, Kunststoff usw. um deren radiale Umfangsbereiche zu einem stabilen, hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aufweisenden Pleuel verbunden.

Im Ausführungsbeispiel wird die Kurbelwelle 2 nach dem Aufspannen der Pleuelteile um ihre Drehmittelachse 80 gedreht und dabei das Pleuel mit einem mit Epoxydharz als Matrixmaterial getränktem Glasfaden bis zu einem mit gestrichelten Linien 82 angedeuteten Umfang umwickelt. Während der Drehung der Kurbelwelle 2 kann die den Glasfaden abgebende Zuführspule (nicht dargestellt) mit einem der Stärke des Glasfadens entsprechendem Vorschub axial hin- und herverschoben werden, so daß die auf das Pleuel über dessen Umfang gewickelten Windungen schraubenförmig verlaufen.

Nach dem Umwickeln des Pleuels erfolgt dessen Aushärtung, welche je nach dem verwendeten Matrixmaterial bzw. dessen Zusammensetzung durch kurzzeitige Wärmezufuhr oder durch Abwarten dessen Reaktionszeit vor sich geht. Nach dem Aushärten werden die Konsolen 30, 32 und die Spannbrücken 64, 66 durch Lösen der Muttern 68, 70 und Herausziehen des Bolzens 58 abgenommen; das Pleuel ist fertiggestellt und zugleich auf der Kurbelwelle 2 einbaufertig montiert.

Bei einer Massenfertigung wird man vorteilhaft gleich an allen Hubzapfen der Kurbelwelle die Pleuelteile aufspannen und diese dann in einem Arbeitsgang unter Verwendung vieler Zufährspulen umwickeln und aushärten, da damit eine beträchtliche Zeiteinsparung erzielbar ist.

Der Aufspannvorgang der Pleuelstange sowie der Vorrichtungsaufwand kann auch dadurch vereinfacht werden, daS die Bohrungen 46, 48 für die Aufnahme des Bolzens 58 unmittelbar in den Konsolen 30, 32 eingebracht sind, wodurch die Gleitstücke 42, 44, die Schrauben 50, 52 und deren Verstellvorrichtung entfallen können. Dies setzt jedoch voraus, daß die Einzelteile der Pleuelstange so maßgenau gefertigt sind, daß beim Anpressen der Konsolen 30, 32 an die Paßflächen 22, 24 die erforderliche Vorspannung der Pleuelstange, insbesondere ein fester Sitz der Lagerschalen 14, 16, gewährleistet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

x 2 Kurbelwelle (2) Paßflächen (22, 24) aufgebracht Patentansprüche: sind, auf denen Konsolen (30,32) abgestützt sind, die den die Büchse (20) durchsetzenden Bolzen

1. Verfahren zum Anbringen eines Pleuels auf (58) aufnehmen.

den Hubzapfen einer einteiligen Kurbelwelle, ins- 5 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge-

besondere für eine Hubkolben-Brennkraftma-. kennzeichnet, daß in den Konsolen (30, 32) den

schine, wobei das Pleuel aus einem faserverstärk- Bolzen (58) aufnehmende Gleitstücke (42, 44)

ten Werkstoff besteht, in dem eine Lagerbüchse geführt sind, welche mittels Schrauben (50, 52)

eingebettet ist, die mittels von einem Pleuelschaft relativ zu den Konsolen (30, 32) verstellbar sind,

um die Lagerbüchse und zurück verlaufender, in '<> 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge-

ausgehärtetem Kunststoff eingebetteter Fasern kennzeichnet, daß an den Konsolen (30,32) BoI-

gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zen (60,62) angeordnet sind, welche in der Auf-

a) eine Lagerschale (14) einer geteilten Lager- Spannstellung beiderseits des Hubzapfens (12) büchse mit dem Pleuelschaft auf dem Hub- verlaufen und an welchem die Lagerschale (16) zapfen (12) der Kurbelwelle (2) aufgesetzt 15 umfassende Spannbrücken (64, 66) befestigbar wird, sind.

b) die zweite Lagerschale (16) auf den Hubzap- 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch fen (12) aufgebracht, und gekennzeichnet, daß die Spannbrücken (64, 66)

c) die Lagerbüchse auf dem Hubzapfen (12) die Lagerschale (16) nur beiderseits ihres Umdurch Umwickeln mit Fasern und Aufbrin- 20 fangsrandes umfassen.

gen von härtbarem Kunststoff mit dem Pleu- 13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und

elschaft durch Aushärten des Kunststoffes 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannbrük-

fest verbunden wird. ken (64,66) auf den Bolzen (60, 62) teleskopisch

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das geführt sind.
Pleuel an dem der Lagerbüchse entgegengesetzten 2 ϊ

Ende eine weitere Büchse aufweist und zwischen