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Beschreibung
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Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine Die Erfindung betrifft ein
Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine, insbesondere einen Otto- oder Dieselmotor,
mit zwei zylindrischen Lagerbuchsen, einem zwischen diesen angeordneten Druckstempel
sowie einer den Druckstempel und die Lagerbuchsen umgebenden Bandage.
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Aufgabe des Pleuels ist die Ubertragung der Gas- und Massenkräfte
von Kolbenbolzen auf die Kurbelwelle. Dabei führt das Pleuel eine rotierende und
oszillierende Bewegung aus, wodurch Massenkräfte entstehen. Zur Verringerung der
Massenkräfte des Pleuels, der zum Ausgleich erforderlichen Gegengewichte an der
Kurbelwelle und der hervorgerufenen dynamischen Belastungen soll die Masse des Pleuels
möglichst gering sein.
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Herkömmlicherweise bestehen Pleuel für Brennkraftkolbenmaschinen aus
metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Stahl.
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Um sie auf der Kurbelwelle zu montieren, sind sie üblicherweise am
großen Lagerauge geteilt und mit zwei Schrauben zusammengehalten. Es werden auch
einteilige Pleuel aus metallischen Werkstoffen in Sonderfällen bei teilbaren Kurbelwellen
verwendet.
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Durch die Einführung von Faserverbundwerkstoffen im Triebwerksbau
konnte auch bei den Pleuel eine deutliche Massenreduzierung erreicht werden. Mit
einem einteiligen Pleuel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff wurde gegenüber der
konventionellen Stahlversion eine Massenersparnis von 50E erzielt; durch die dabei
angewandte Fertigungstechnologie, namlich das Umwikkeln des auf die Kurbelwelle
aufgesetzten Druckstempels mit einer Bandage, ist es auch möglich, ein einteiliges
Pleuel bei nicht teilbaren Kurbelwellen zu verwenden (MBB, Anwendungen von Faserverbundwerkstoffen,
Ausstellung auf der Hannover-Messe 1981; Zeitschrift Technik mot 16/1980, Seite
69 -Der Kunststoffmotor-).
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Bei diesen Pleueln aus Faserverbundwerkstoff werden Bandage und Druckstempel
durch Verkleben miteinander verbunden. Durch unterschiedliche Dehnungen von Bandage
und Druckstempel bei Belastung entstehen hohe Schubspannungen inner Klebeschicht,
und es kann zum Versagen der Klebung kommen.
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D.er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Pleuel dieser Art derart
zu verbessern, daß die Verbindungsflächen zwischen Bandage einerseits und Druckstempel
andererseits nicht durch Schub- -und nuerzugkräfte belastet werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Pleuel der eingangs beschriebenen Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Bandage und Druckstempel derart gegeneinander
vorgespannt'sind, daß die Dehnung der Bandage infolge der Zugvorspannung mindestens
so groß ist wie die infolge der Zündkraft auftretende Druckstempelstauchung, und
daß die infolge der Druckvorspannung auftretende Druckstempelstauchung mindestens
so groß ist wie die infolge der Massenkräfte auftretende Dehnung der Bandage, so
daß die Bandage immer im Zugbereich und der Druckstempel immer im Druckbereich belastet
werden.
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Durch diese erfindungsgemäße Konstruktion läßt sich die der Erfindung
zugrundeliegende Aufgabe ohne Schwierigkeiten lösen.
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Außerdem werden bei diesem Aufbau Querzugbelastungen zwischen den
Pleuelaugen und dem Druckstempel bzw. der Bandage vermieden.
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Infolge der erfindungsgemäßen Verspannung von Druckstempel und Bandage
ist es möglich, diese Teile aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen, wobei die
Werkstoffe der jeweiligen Beanspruchung entsprechend optimal ausgewählt werden können.
Beispielsweise können Materialien verwendet werden, die aufgrund höherer spezifischer
Festigkeits- und Steifigkeitswerte gegenüber Stahlpleueln eine Massenersparnis von
bis zu 60% erbringen. Wichtig ist dabei, daß die Auswahl der verwendeten Werkstoffe
nicht durch Verbindungskriterien beschränkt wird, da Bandage einerseits und Druckstempel
andererseits nicht miteinander verbunden werden. Dadurch können auch Werkstoffe
eingesetzt werden, deren Verwendung sich bei anderen Konstruktionen aufgrund des
Fertigungsprozesses (Druck, Temperatur) verbieten würde.
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Günstig ist es, wenn der thermische Ausdehnungskoeffinzient des Druckstempels
größer ist als der der Bandage, so daß bei einer Erwärmung des Pleuels sich die
Bandage nicht stärker ausdehnt als der Druckstempel, welches zur Folge hätte, daß
die Verspannung von Druck stempel und Bandage verringert werden würde.
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Der Druckstempel kann beispielsweise aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Aluminium, aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Titan, aus kohlefaser-
oder borfaserverstärktem Kunststoff, aus kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Glas, oder aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid,
bestehen.
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Vorteilhafte Materialien für die Bandage sind borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktes
Aluminium, kohlefaser- oder borfaserverstärkter Kunststoff, oder kohlefaser- oder
siliziumkarbidfaserverstärktes Glas.
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Zur Vermeidung der Ovalisierung derPleuelaugen können Lagerbuchsen
verwendet werden, deren tragende Struktur aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Aluminium, aus kohlefaser- oder borfaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser-
oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas besteht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß Druckstempel
und Lagerbuchsen von zwei gleichlagen Bandagen umgeben sind, daß die obere Schlaufe
jeder Bandage gegenüber der unteren um 1800 verdreht ist, daß die Verdrehung der
beiden Bandagen gegensinnig ist und daß die beiden Bandagen auf gegenüberliegenden
Seiten des Druckstempels angeordnet sind. Da sich diese Bandagen im Bereich zwischen
den Lagerbuchsen überkreuzen, kann man mit dieser Konstruktion Pleuel herstellen,
die im Bereich zwischen den Lagerbuchsen schlanker gebaut sind als im Bereich der
Lagerbuchsen selbst und somit in ihrer Ausgestaltung der Formgebung herkömmlicher
Pleuel aus Stahl entsprechen.
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Dadurch, daß die beiden Bandagen gegensinnig verdreht sind, wird vermieden,
daß sich die Gesamtstruktur beim Auftreten von Zugspannungen aufdreht.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Druckstempel aus mindestens zwei Teilen
besteht, von denen eines gegen Druckkräfte, die parallel zur Verbindungslinie der
Lagerbuchsen gerichtet sind, widerstandsfähig ist, während das andere Teil gegen
quer dazu verlaufende Druck- und Zugkräfte widerstandfähig ist. Die erhöhte Widerstandsfähigkeit
in bestimmten Richtungen läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß in den
aus. Faserverbundwerkstoffen hergestellten Teilen die Fasern parallel zu den Kraftrichtungen
verlaufen. Bei einer solchen Konstruktion nehmen die in Längsrichtung des Pleuels
widerstandsfähigen Teile die Druckkräfte zwischen den Lagerbuchsen auf, während
die quer dazu wiederstandsfähigen Teile verhinderr daß sich der Druckstempel bei
Stauchung quer zur Stauchungsrichtung aufweitet.
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Besonders günstig ist es, wenn der Druckstempel oder Teile des Druckstempels
stranggezogene Profile sind, deren Außenflächen gegebenenfalls nachbearbeitet sind.
Dadurch läßt sich eine preisgünstige Großserienfertigung durchführen.
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Wenn der Druckstempel aus Keramik besteht, ist es vorteilhaft, wenn
der Druckstempel angrenzend an jede Lagerbuchse eine komplementär zur Lagerbuchsenaußenkontur
geformte. Stützfläche aufweist und wenn im Zwickel zwischen Lagerbuchse und Bandage
ein Füllkörper eingelegt ist, der sich in dem Druckstempel flächig abstützt. Dadurch
wird verhindert, daß im Anlagebereich
des Keramikdruckstempels
an der Lagerbuchse im Druckstempel Zugspannungen in Querrichtung auftreten, denen
ein Keramikstempel nur begrenzten Widerstand entgegenbringen kann.
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Der Erfindung liegt wieterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung derartiger Pleuel vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine oder mehrere
Bandagen über die beiden Lagerbuchsen aufgeweitt werden und in diesem Zustand mit
den beiden Lagerbuchsen über den Druck stempel und die gegebenenfalls vorgesehenen
Füllstücke geschoben werden, oder daß der Druckstempel über die beiden Lagerbuchsen
gestaucht wird und die Bandage oder Bandagen über den Druckstempel und die beiden
Lagerbuchsen geschoben werden und daß anschließend die zur Montage erforderliche
Aufweitung oder Stauchung wieder aufgehoben wird. Die Aufweitung bzw. Stauchung
kann dabei je nach verwendeten Materialien mechanisch oder thermisch erfolgen.
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Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.
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Es zeigen:
Figur 1 eine Längsschnittansicht eines
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels; Figur 2 eine Schnittansicht
längs Linie 2-2 in Figur 1; Figur 3 einen Querschnitt durch den Druckstempel eines
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels; Figur 4 eine Ansicht ähnlich
Figur 3 eines abgewandelten Druckstempels; Figur 5 eine Ansicht ähnlich Figur 3
eines mehrteilig aufgebauten Druckstempels; Figur 6 eine Ansicht ähnlich Figur 3
eines weiteren mehrteilig aufgebauten Druckstempels; Figur 7 eine Seitenansicht
eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Pleuels mit einem Druckstempel aus
Keramik; Figur 8 eine Schnittansicht längs Linie'8 - 8 und Figur 9 eine Explosionsdarstellung
der Teile eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels.
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Das in Figur 1 dargestellte Pleuel umfaßt zwei zylindrische Lagerbuchsen
1 und 2, zwischen denen ein Druckstempel 3 angeordnet ist. Dieser weist einen Mittelsteg
4 sowie drei quer dazu verlaufende Stege 5, 6 und 7 auf, wie aus Figur 2 deutlich
wird. Die Stege 5, 6 und 7 verlaufen dabei parallel zueinander. Der Druckstempel
liegt mit je einer der Außenkontur der Lagerbuchsen 1 und 2 angepaßten Abstützfläche
8 bzw. 9 an den Lagerbuchsen an.
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Der Druckstempel und die beiden Lagerbuchsen 1 und 2 werden von einer
Bandage 10 umgeben, die außen um die beiden Lagerbuchsen 1 und 2 herumgeführt ist
und sich entlang der beiden Lagerbuchsen gemeinsamen Tangente erstreckt. Der Druckstempel
3 ist mit seiner Außenkontur derart geformt, daß er über seine gesamte Länge an
der Innenseite des geradlinigen Bandagenbereiches anliegt.
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Die aus Druckstempel, Lagerbuchsen und Bandage bestehende Einheit
wird von einer Kapsel 11 überfangen.
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Der Druckstempel 3 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher
Druckfestigkeit und hoher Drucksteifigkeit, insbesondere aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Aluminium, aus borfaser-. oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser-
oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas. Da der Druckstempel primär durch Druckkräfte
belastet wird, sind die Fasern vorwiegend parallel zur Pleuellängsachse angeordnet.
Im Mittelsteg 4 können auch senkrecht dazu verlaufende Fasern eingebettet sein,
die ein Aufspalten des Druckstempels quer zur Beanspruchungsrichtung vermeiden.
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Die Bandage besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher
spezifischer
Zugfestigkeit und Zugsteifigkeit, insbesondere aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Aluminium, aus kohlefaser- oder borfaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser-
oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas.
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Die Fasern sind in Umfangsrichtung der Bandage angeordnet und ergeben
somit optimale Festigkeits- und Steifigkeitswerte.
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Zumindest'die tragende Struktur der Lagerbuchsen 1 und 2 besteht aus
einem Faserverbundwerkstoff mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit. Vorzugsweise
werden dieselben Werkstoffe verwendet wie für die Bandage. Die Fasern sind teil
in axialer Richtung, teils in Umfangsrichtung der Lagerbuchsen angeordnet. Die in
Umfangsrichtung orientierten Fasern nehmen vorwiegend die Kräfte auf, die durch
die gegenseitige Verspannung von Druckstempel und Bandage entstehen, während man
durch die axial eingelagerten Fasern eine ausreichende Biegesteifigkeit in Kolbenbolzenlängsächse
bzw. Kurbelzapfenlängsachse erzielt. Die Gleitlagerflächen der Lagerbuchsen können
aus galvanisch aufgebrachten Gleitschichten, insbesondere bei Lagerbuchsen au;s
borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärkteir Aluminium, oder aus zylindrischen
Gleitlagerbuchsen gebildet werden, letzteres insbesondere bei Lagerbuchsen aus kohlefaser
oder borfaserverstärktem Kunststoff und kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Glas.
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Die Breite der Lagerbuchsen 1 und 2 ist etwas größer gewählt als die
Breite der Bandage 10 bzw. des Druckstempels 3 und der Kapsel 11, so daß der Bund
der Lagerbuchsen als Anlauffläche zur seitlichen Führung des Pleuels auf der Kurbelwelle
bzw. im Kolben ausgebildet werden kann.
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Die Kapsel 11 hat die Aufgabe, quer zur Pleuellängsachse auftretende
Belastungen
aufzunehmen und die Oberfläche.von Druckstempel und Bandage vor agressivem Motorenöl
zu schützen.
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Die Kapsel 11 besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff,
insbesondere aus siliziumkarbidverstärktem 'Aluminium oder kohlefaserverstärktem
Kunststoff. Die Anordnung der Fasern erfolgt vorwiegend quer zur Pleuellängsachse
und ist auf dem Bereich zwischen den Lagerbuchsen begrenzt. Bei der Herstellung
des dargestellten Pleuels werden alle Bauelemente des Pleuels (Lagerbuchsen, Druckstempel,Bandage,Kapsel)
getrennt hergestellt, wobei jeweils wirtschaftliche Fertigungsverfahren angewendet
werden können, die dem Material des Bauteiles und der Form desselben angepaßt werden
können.
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So ist beispielsweise die Herstellung des Druckstempels im Preß- oder
Strangziehverfahren möglich, Bandage und Lagerbuchsen können im Wickelverfahren
gefertigt werden. Diese Einzelteile werden anschließend zum Pleuel zusammengesetzt,
indem der Druckstempel in die über zwei Bolzen aufgeweitete Bar.dage samt den Lagerbuchsen
eingepreßtwird. Die Aufweitung bzw. die Maße von Bandage, Lagerbuchsen und Druckstempel,
sind dabei so gewählt, daß die sich ergebende Verspannung von Druckstempel und Bandage
größer ist als die Verformungen infolge Zug- oder Druckbelastung. Bestehen die Einzelteile
aus miteinander verklebbaren Materialien, z.B. aus kohlefaserverstärktem Kunststoff,
können sie während der Montage zusätzlich verklebt werden. Sind sie aus borfaserverstärktem
Aluminium gefertigt, kann eine zusätzliche Verbindung durch einen nachgeschalteten
Lötprozeß erzielt werden.
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Schließlich werden die beiden vorgefertigten Hälften der Kapsel 1
über das Pleuel geschoben und mit diesem verbunden, beispielsweise durch Kleben
(insbesondere bei kohlefaserverstärktem Kunststoff) oder durch Löten (insbesondere
bei
borfaserverstärktem Aluminium). In einem abschließenden Arbeitsgang
erfolgt die Bearbeitung der Gleitlagerflächen der Lagerbuchsen.
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Da die Herstellung des Druckstempels getrennt von den übrigen Pleuelbauteilen
erfolgt, können beliebige, den jeweiligen Anforderungen optimal entsprechende Druckstempelprofile
verwendet werden. In den Figuren 3 bis 6 sind derartige Druckstempelprofile dargestellt,
denen gemeinsam ist, daß sie aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere borfaserverstärktem
Aluminium oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, bestehen und in großserienspezifischen
Herstellungsverfahren gefertigt werden können.
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Figur 3 zeigt einen Druckstempel mit H-förmigem Querschnitt, der im
Strangziehverfahren hergestellt werden kann.
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Figur 4 zeigt einen sinusförmigen Querschnitt, dessen Fertigung sowohl
im Strangziehverfahren als auch im Preßverfahren erfolgen kann.
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Figur 5 stellt einen Druckstempel dar, der aus zwei getrennt gefertigten
Profilen zusammengesetzt ist. Während die Fasern in den sinusförmigen Profilen 12
in Pleuellängsrichtunq verlaufen, sind die Fasern des zentralen Profils 13 mit rechteck
gem Querschnitt vorwiegend senkrecht dazu angeordnet. Diese Fasern haben die Aufgabe,
ein-Aufspalten des Druckstempels quer zur Belastungsrichtung zu verhindern.
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In Figur 6 ist ein Druckstempel dargestellt, der aus jeweils zwei-symmetrisch
zusammengesetzten Elementen 14, 15 aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem
Aluminium bestehen Die Druckkräfte, die durch den Zünddruck und die erforderlich
Vorspannung des Druckstempels entstehen, werden primär vom
Element
14 aufgenommen. In ihm sind die Fasern vorwiegend zur Pleuellängsachse ausgerichtet.
Es wird im Strangziehverfahren hergestellt und muß lediglich an seinen Auflageflächen
an den Lagerbuchsen bearbeitet werden. Das Element 15 hat im wesentlichen die Aufgabe,
ein Aufspalten des Druckstempels quer zur Belastungsrichtung zu verhindern. Aus
diesem Grunde sind die Fasern im Element 15 vorwiegend quer zur Pleuellängsachse
angeordnet. Das Teil 15 kann somit die in Figur 1 dargestellte Kapsel 11 ersetzen.
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Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, daß eine Bearbeitung
des Druckstempels nur noch an seinen Auflageflächen an den Lagerbuchsen erforderlich
ist und daß durch Wegfall der Kapsel eine gute Inspektionsmöglichkeit gegeben ist.
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In den Figuren 7 und 8 ist ein Pleuel mit einem Druckstempel aus einem
keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC)
.iargestellt. Die Bandage und die beiden Lagerbuchsen bestehen aus borfaser- oder
siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium. Da keramische Werkstoffe extrem empfindlich
reagieren, sind die Abstützflächen 8 und 9 der Lagerbuchsen auf dem Druckstempel
so ausgebildet, daß diese Belastungsarten im Druckstempel möglichst gering sind.
Dies erfolgt insbesondere dadurch, daß die Kanten des Druckstempels abgerundet sind
und die sich ergebenden Hohlräume mit Aluminiumfüllelementen 16, 17 ausgefüllt sind.
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Diese Füllelemente sind mit den Lagerbuchsen und/oder der Bandage
verlötet.
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Figur 9 stellt eine Explosionszeichnung eines Pleuels dar, das ebenso
wie die obenbeschriebenen Pleuel aus zwei Lagerbuchsen 1, 2 und einem Druckstempel
3 besteht. Im Gegensatz
zu den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen
werden diese Teile von zwei Bandagen 10a und 1Ob umgeben, wobei die oberen Schlaufen
jeder Bandage gegenüber der unteren Schlaufe um 1800 verdreht sind. Die Verdrehung
erfolgt dabei bei den beiden Bandagen 10a und 10b in entgegengesetztem Sinn. Durch
diese Verdrehung ergibt sich bei den beiden Bandagen im mittleren Bereich eine Einschnürung,
so daß auch der Druckstempel im mittleren Bereich entsprechend schlank ausgebildet
werden kann. Man erhält auf diese Weise einen Pleuel, dessen Gesamtform der herkömmlicher
Stahlpleuel relativ nahekommt.
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Wesentlich ist bei dieser Konstruktion, daß die gegensinnig verdrehten
Bandagen von beiden Seiten her die Lagerbuchsen und den Druckstempel umgeben, so
daß trotz der Verdrehung der Bandagen Druck- und Zugkräfte keine Verdrehung der
verspannten Einheit hervorrufen können, d.g. Rückdrehmomente treten nicht auf.