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Pleuel-Kolbenanordnung für Zylinder-Kolben-Motoren
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Die Erfindung betrifft eine Pleuel-Kolbenanordnung für Zylinder-Kolben-Motoren,
mit einr Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoffen, bestehend aus einem im wesentlichen
den Pleuelschaft bildenden Pleuelinnenteil und einer das Pleuelinnenteil und das
Kurbelzapfenauge umfassenden Pleuelbandage.
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Bei bekannten Anordnungen dieser Art mit einer Vollkunststoff-Pleuelstange
sind Pleuel und Kolben durch ein Gelenk verbunden, das von einem Kolbenbolzen am
Kolben einerseits und einem Kolbenbolzenauge in der Pleuelstange andererseits gebildet
ist. Sowohl das Kolbenbolzenauge als auch das Kurbelzapfenauge sind gänzlich im
Pleuelinnenteil enthalten, also vom Pleuelinnenteil vollständig umschlossen, wobei
auch das Kurbelzapfenauge ungeteilt ist, die Pleuelstange also außer für Einzylindermotoren
nur
Mehrzylindermotoren mit Hirth-Kurbelwelle verwendet werden kann.
Solche Kurbelwellen sind teuer und scheiden für den Einsatz im Serienbau aus. Die
Pleuelbandage wird bei den bekannten Vollkunststoff-Pleuelstangen auf dem Pleuelinnenteil
hergestellt, das dabei das Wickelwerkeug bildet.
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Allerdings können dabei keine oder nur geringe Vorspannungen verwirklicht
werdende weil die zur die Herstellung der Pleuelbandage zumeist zum Einsatz kommenden
Fasern sehr dünn und daher nur unter sehr geringer Zugbeanspruchung wickelbar sind.
Es ist daher nicht möglich, die Pleuelbandage ausreichend fest mit genügendem Formschluß
auf das Pleulinnenteil aufzubringen Zwar sind Pleuelinnenteil und Pleuelbandage
herstellungsbedingt stofflich durch das Matrixmaterial der Faserverbundwerkstoffe
miteinander verbunden, auch sind die Zwischenräume zwischen dem Pleuelinnenteil
und der Pleuelbandage, die beim praktisch vorspannungslosen Aufbringen der Pleuelbandage
unvermeidbar sind, durch das Matrixmaterial ausgefüllt, jedoch ist das Matrixmaterial
für sich allein nicht geeignet, auf die Dauer ohne Zerrüttung nennenswerte Kräfte
zu übertragen und den erforderlichen Kraftschluß zwischen dem Pleuelinnenteil und
der Pleuelbandage zu bewerkstelligen.
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Darüber hinaus kann sich die Pleuelbandage mangels ausreichender Vorspannung
unter den im Betrieb auftretenden Zugbeanspruchungen dehnen und auch aus diesem
Grunde mit der Zeit vom Pleuelinnenteil ablösen. Weiter wirken sich auch die im
Betrieb zwischen Zug und Schub wechselnden Beanspruchungen des Pleuelinnenteiles
selbst auf Faserstruktur und Matrix des Pleuelinnenteils, besonders in der Umgebung
der Pleuelaugen, wie auch auf den Verbund
zwischen dem Pleuelinnenteil
und der Pleuelbandage nachteilig aus, was alles dazu führt, daß in der Praxis schon
nach kurzer Betriebsdauer Zerstörungs- und Versagenserscheinungen auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Pleuel-Kolbenanordnung
der eingangs genannten Art mit einer Vollkunststoff-Pleuelstange eine werkstoff-
und fertigungsgerechte Bauform zu schaffen, welche die Wechselbeanspruchungen des
Dauerbetriebs ohne Ermüdungserscheinungen zu ertragen vermag und eine Teilung zumindest
des Kurbelzapfenauges ohne weiteres ermöglicht, so daß die Pleuelstange auch zum
Einsatz in Mehrzylindermotoren mit ungeteilter Kurbelwelle geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Pleuelinnenteil
mit einem kolbenseitigen Gelenkkopf auf einer Gelenkschale am Kolbenboden abgestützt
ist, wobei der Gelenkkopf und die Gelenkschale ein Gelenk mit zur Achse des Kurbelzapfenauges
paralleler Gelenkachse bilden, daß das Pleuelinnenteil ferner am Kurbelzapfenauge
nur bis zu einer Teilungsfläche reicht, die im wesentlichen quer zu der durch die
Achsen des Gelenkkopfes und des Kurbelzapfenauges gehenden Pleuellängsachse in der
Mitte des Kurbelzapfenauges oder in der auf der Seite des Pleuelinnenteils liegenden
Augenhälfteverläuft, daß für das Kurbelzapfenauge eine am Pleuelinnenteil abgestützte
geteilte Lagerschale vorgesehen ist, und daß die Pleuelbandage durch ein vom Kolbeninnenteil
und der Lager schale getrenntes flexibles Spannband gebildet ist, das unter definierter
Vorspannung die Lagerschale umschlingt, in
der Achse des Gelenkkopfes
zusammenläuft und mit den Enden am Kolbenboden befestigt ist.
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Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt ist zunächst darin zu
sehen, daß die erfindungsgemäße Pleuel-Kolbenkombination bezüglich des Pleuels aus
Bauteilen besteht, die jedes für sich spannungsfrei hergestellt werden können und
die erst nach dem Aushärten unter erst dann erzeugter Vorspannung zur Pleuelstange
und zur vollstandigen Pleuel-Kolbenkombination zusammengesetzt werden. Das Pleuelinnenteil
wird, weil es kolbenseitig nur noch abgestützt und auf der anderen Seite das Kurbelzapfenauge~.nur
noch höchstens zur Hälfte umfaßt, im Betrieb allein auf Druck.und-die vom Pleuelinnenteil
getrennte Pleuelbandage nur auf-Zug beansprucht. Das Pleuelinnenteil und die Pleuelbandage
können daher in Faserstruktur und Matrix optimal auf die ihnen spezifischen reinen
Druck- bzw. Zugbeanspruchungen ausgelegt werden. Insbesondere kann das die Pleuelbandage
bildende Spannband zunächst spannungsfrei hergestellt und erst nach der Aushärtung,
wenn die volle Zugfestigkeit erreicht ist, mit der gewünschten hohen Vor spannung
am Pleuelinnenteil und am Kolben montiert werden. Dabei sind ohne Gefahr so große
Vorspannungen möglich, daß sich die Pleuelbandage unter den im Betrieb auftretenden
Zugbeanspruchungen nicht mehr nennenswert dehnen kann und also der Form- und Kraftschluß
zwischen der Pleuelbandage und dem Pleuelinnenteil voll erhalten bleibt. Weiter
ermöglicht das schon im Kurbelzapfenauge endende Pleuelinnenteil unschwer eine Teilung
des Auges, soweit eine solche Teilung konstruktiv gewünscht wird. Ein weiterer sehr
wesentlicher Vorteil der
erfindungsgemäßen Pleuel-Kolbenanordnung
ist im Fortfall des Kolbenbolzens zu sehen und in der damit verbundenen Massenverringerung
im rein oszillierenden, also besonders massenempfindlichen Bereich der Pleuel-Kolbenanordnung.
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Häufig ist die Teilungsfläche eine senkrecht auf der Pleullängsachse
stehende und durch die Mitte des Kurbelzapfenauges gehende Ebene. In weiter bevorzugter
Ausführungsform verläuft das Spannband im Bereich der Gelenkachse des Gelenkkopfes
an zwei am Kolbenboden befestigten Lagerbacken, die sich mit in Bezug auf die Gelenkachse
konvexen Lagerflächen gegenüberstehen und zwischen ihren Lagerflächen einen das
Spannband aufnehmenden Führungsspalt bilden. Zweckmäßig erweitert sich der Führungsspalt
in Richtung der Pleuellängsachse beidseits der Gelenkachse des Gelenkkopfes, wobei
die Lagerflächen auf der dem Kolbenende zugewandten Seite das Spannband zu seinen
Befestigungsstellen am Kolbenboden umlenken und auf der entgegengesetzten Seite
Abrollflächen für die zum Kurbelzapfenauge verlaufenden Abschnitte des Spannbandes
bilden.
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Im Ergebnis kann das Spannband und die durch das Spannband bewirkte
Verspannung des Kolbeninnenteiles gegen den Kolbenboden die Beweglichkeit der am
Kolbenboden abgestützten Pleuelstange nicht behindern.
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Weiter empfiehlt es sich, die Lagerbacken mit Spannschrauben am Kolbenboden
zu verschrauben und zwischen dem Kolbenboden und den Lagerbacken die Enden des Spannbandes
einzuspannen. Das Spannband kann im filament-winding-Verfahren hergestellt und dann
mit integrierten Endschlingen versehen sein, mit welchen es an den Spannschrauben
eingehängt
ist, so daß sich eine hohe Zugfestigkeit des Spannbandes
bis hinein in seine Befestigung an den Spannschrauben zwischen dem Kolbenboden und
den Laanrbacken ergibt. Die Spannschrauben dienen dann nicht nur der Befestigung
der Lagerbacken am Kolbenboden, sondern auch dazu, das Spannband bis zur gewünschten
Vorspannung zu spannen.
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In weiter bevorzugter Ausführungsform ist das Pleuelinnenteil von
zwei sich parallel mit Abstand gegenüberstehenden Scheiben gebildet und das Spannband
zwischen den Scheiben angeordnet. Im einzelnen können dann die Lagerbacken zwischen
die Scheiben greifen und an der Lagerschale des Kurbelzapfenauges Flansche vorgesehen
sein-, um die Scheiben und das Spannband an der Lagerschale und am Kolbenboden axial
zueinander zu fixieren.
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Im folgenden wird die Erfindung an einem in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigen: Figur 1 eine Pleuel-Kolbenanordnung
nach der Erfindung, und zwar in der linken Figurenhälfte eine Ansicht, in der rechten
Figurenhälfte einen Längsschnitt, jeweils gesehen in Axialrichtung des Kurbelzapfenauges,
Figur 2 eine Seitenansicht der Anordnung nach Figur 1, und zwar in der rechten Figurenhälfte
wiederum im Längsschnitt,
Figur 3 das Spannband der Anordnung nach
den Figuren 1 und 2 in einer perspektivischen Einzeldarstellung, und Figur 4 eine
perspektivische Schemazeichnung der Anordnung nach den Figuren 1 und 2 mit teils
weggebrochenen Teilen und ohne Lagerschale im Kurbelzapfenauge.
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Bei der dargestellten Pleuel-Kolbenanordnung mit einer Pleuelstange
aus Faserverbundwerkstoffen für Zylinder-Kolben-Motoren mit ungeteilter Kurbelwelle
ist der Kolben mit 1 und das im wesentlichen den Pleuelschaft bildende Pleuelinnenteil
allgemein mit 2 bezeichnet. Die das Pleuelinnenteil 2 und das Kurbelzapfenauge 3
umschließende Pleuelbandage ist von einem Spannband 4 gebildet. Das Pleuelinnenteil
2 ist mit einem kolbenseitigen Gelenkkopf 5 auf einer Gelenkschale 6 am Kolbenboden
7 abgestützt, wobei der Gelenkkopf 5 und die Gelenkschale 6 gemeinsam ein Gelenk
bilden dessen Gelenkachse 8 parallel zur Achse 9 des Kurbelzapfenauges 3 verläuft.
Das Pleuelinnenteil 2 reicht am Kurbelzapfenauge 3 nur bis zu einer ebenen Teilungsfläche,
die bei 10-10 angedeutet ist und senkrecht auf der durch die Gelenkachsen 8, 9 des
Gelenkkopfes 5 und des Kurbelzapfenauges 3 gehenden Pleuellängsachse 11 steht sowie
durch die Mitte des Kurbelzapfenauges 3 verläuft.
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Weiter ist für das Kurbelzapfenauge 3 eine am Pleuelinnenteil 2 abgestützte,
bei 13 geteilte Lagerschale 12 vorgesehen. Das die Pleuelbandage bildende flexible
Spannband 4
ist vom Pleuelinnenteil 2 und von der Lagerschale 12
getrennt und steht unter definierter VorspannungU die bei der Montage der Anordnung
aufgebracht wird. Im einzelnen umschlingt das Spannband 4 die Lagerschale 12, läuft
in der Achse 8 des Gelenkkopfes 5 zusammen und ist mit den Enden am Kolbenboden
7 befestigt. Es ist aus RovR s im filamentwinding-Verfahren mit anschließendem Aushärten
im Ofen hergestellt und besitzt, wie insbesondere aus Figur 3 ersichtlich ist, die
Spannbandenden bildende Endschlingen 14. Das Pleuelinnenteil 2 ist in zwei Scheiben
2.1, 2.2 in jeweils vielschichtigem Pregpreg-Aufbau -ausgeführt, wobei es durch
unterschiedliche Orientierung der Fasern jeder Pregpreglage möglich ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Scheiben 2.1, 2.2 dem des Spannbandes 4, der Lagerschale 12 und dem von Gelenkkopf
5 und Gelenkschale 6 gebildeten kolbenseitigen Pleuelgelenk anzugleichen, um unzulässige
Deformationen der Lagerschale und an den Teilen des Pleuelgelenks zu verhindern.
Im-Ergebnis können das Pleuelinnenteil 2, die Lagerschale 12 und das Spannband 4
als zunächst spannungsfreie Bauteile hergestellt werden, die der in der fertig montierten
Pleuel-Kolbenanordnung zur verbindenden Funktion notwendigen Flächenpressung erst
nach dem Aushärten bei der Montage durch die dann aufgebrachte definierte Vor spannung
ausgesetzt werden.
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Das Spannband 4 verläuft im Bereich der Gelenkachse 8 des Gelenkkopfes
5 an zwei am Kolbenboden 7 befestigten Lagerbacken 15 Diese Lagerbacken 15 stehen
sich mit in Bezug auf die Gelenkachse 8 konvexen Lagerflächen 16 gegenüber
und
bilden zwischen ihren Lagerflächen 16 einen das Spannband 4 aufnehmenden Führungsspalt
17. Dieser Führungsspalt 17 erweitert sich in Richtung der Pleuellängsachse 11 beidseits
der Gelenkachse 8 des Gelenkkopfes 5. Dabei lenken die Lagerflächen 16 auf der dem
Kolbenboden 7 zugewandten Seite das Spannband 4 zu seinen Befestigungsstellen am
Kolbenboden 7 um. Auf der entgegengesetzten, zum Kurbelzapfenauge 3 hin gerichteten
Seite bilden die Lagerflächen 16 Abrollflächen für die zum Kurbelzapfenauge 3 verlaufenden
Abschnitte des Spannbandes 4. Durch die Zusammenführung des Spannbandes 4 im Führungsspalt
17 und damit im unmittelbaren Bereich der Gelenkachse 8 des Gelenkkopfes 5 bleiben
die Gelenkbewegungen des Pleuels gegenüber dem Kolben durch das Spannband 4 und
dessen Vorspannung unbeeinträchtigt.
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Die Lagerbacken 15 sind mit Spannschrauben 18 am Kolbenboden 7 verschraubt.
Zwischen dem Kolbenboden 7 undden Lagerbacken 15 sind die Enden des Spannbandes
4 eingespannt, wobei die Endschlingen 14 des Spannbandes an den Spannschrauben 18
eingehängt sind. Mittels dieser Spannschrauben erfolgt im Ergebnis nicht nur die
Halterung der Lagerbacken 15 und der Spannbandenden, sondern sie dienen außerdem
dazu, bei der Montage der Anordnung die gewünschte Vorspannung auf das Spannband
4 aufzubringen.
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Die zwei Scheiben 2.1, 2.2 des Pleuelinnenteils 2 stehen sich parallel
mit Abstand gegenuber. Zwischen ihnen ist das Spannband 4 angeordnet. Die Lagerbacken
15 greifen
zwischen die beiden Scheiben 2.1, 2.2. Außerdem sind
an der Lagerschale 12 Flansche 19 vorgesehen, welche die Scheiben 2.1, 2.2 und das
Spannband 4 an der Lagerschale 12 axial zueinander fixieren und ausrichten.
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Entsprechendes erfolgt im Bereich des Gelenkkopfes 5 durch die zwischen
die beiden Scheiben 2.1, 2.2 greifenden Lagerbacken 15 und durch außenseitige Führung
des Gelenkopfes 5 beider Scheiben 2.1, 2.2 an der Gelenkschale 6 des Kolbenbodens
7.
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