DE3340817C2 - Pleuel-Kolben-Anordnung für Zylinder-Kolben-Motoren - Google Patents

Abstract

Bei der Pleuel-Kolbenanordnung besteht die Vollkunststoff-Pleuelstange aus einem im wesentlichen den Pleuelschaft bildenden Pleuelinnenteil (2) und einem Spannband (4), das eine das Pleuelinnenteil (2) und das Kurbelzapfenauge (3) umfassende Pleuelbandage bildet. Das Pleuelinnenteil (2) ist mit einem kolbenseitigen Gelenkkopf (5) auf einer Gelenkschale (6) am Kolbenboden (7) abgestützt, wodurch ein Gelenk mit zur Achse (9) des Kurbelzapfenauges (3) paralleler Gelenkachse (8) gebildet ist. Das Pleuelinnenteil (2) reicht ferner am Kurbelzapfenauge (3) nur bis zu einer Teilungsfläche (10-10), die im wesentlichen quer zur Pleuellängsachse (11) in der Mitte des Kurbelzapfenauges (3) oder in der auf der Seite des Pleuelinnenteils (2) liegenden Augenhälfte verläuft. Das vom Kolbeninnenteil (2) und der Lagerschale (12) getrennte flexible Spannband (4) umschlingt unter definierter Vorspannung die am Pleuelinnenteil (2) abgestützte geteilte Lagerschale (12), läuft in der Achse (8) des Gelenkkopfes (5) zusammen und ist mit den Enden am Kolbenboden (7) befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuel-Kolben-Anordnung für Zylinder-Kolben-Motoren mit einer Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoffen, bestehend aus einem Pleuelschaft und einer den Pleuelschaft und eine am Pleuelschaft abgestützte Lagerschale als Kurbelzapfenauge umfassenden, flexiblen, unter definierter Vorspannung stehenden Pleuelbandage, wobei der Pleuelschaft ferner am Kurbelzapfenauge nur bis zu einer Teilungsfläche reicht, die im wesentlichen quer zu der durch die Achse des Kurbelzapfenauges gehenden Pleuellängsachse in der Mitte des Kurbelzapfenauges oder in der auf der Seite des Pleuelschafts liegenden Augenhälfte verläuft, und wobei die Pleuelbandage in einem Gelenkbereich zusammenläuft und mit den Enden am Kolbenboden befestigt ist

Aus der DE-PS 29 16 847 ist eine derartige Pleuel-Kolben-Anordnung bekannt Bei dieser bekannten Pleuel-Kolben-Anordnung wird die Pleuelbandage in im Pleuelschaft vorgesehenen Nuten (unter geringer Vorspannung) eingelegt und mit Kunstharz eiflgegossen, und ist dann mit dem Pleuelschaft fest verbunden. Pleuelbandage und Pleuelschaft müssen dabei derart aufeiannder abgestimmt werden, daß beide Teile gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bezüglich der Pleuelbandage können keine oder nur gerinjje Vorspannungen verwirklicht werden, weil die für die Herstellung der Pleuelbandage zum Einsatz kommenden Fasern sehr dünn sind und daher nur unter sehr geringer Zugbeanspruchung um den Pleuelsciiaft und das Kurbelzapfenauge gelegt werden können. Zwar sind Pleuelschaft und Pleuelbandage herstellungsbedingt stofflich durch das Matrixmateria! der Faserverbundwerkstoffe miteinander verbunden, auch sind die Zwischenräume zwischen dem Pleuelschaft und der Pleuelbandage, die beim praktisch vorspannungslosen Aufbringen der Pleuelbandage unvermeidbar sind, durch das Matrixmaterial ausgefüllt, jedoch ist das Matrixmaterial für sich eilein nicht geeignet, auf die Dauer ohne Zerrüttung nennenswerte Kräfte zu übertragen und den erforderlichen Kraftschluß zwischen dem Pleuelschaft und der Pleuelbandage zu bewerkstelligen. 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 Pleuelschaft ablösen.

Weiter wirken sich auch die im Betrieb zwischen Zug und Schub wechselnden Beanspruchungen des Pleuelschaftes selbst auf Faserstruktur und Matrix des Plsuelschaftes, besonders in der Umgebung der Pleuelaugen, wie auch auf den Verbund zwischen dem Pleuelschaft und der Pleuelbandage nachteilig aus, was alles dazu führt, daß in der Praxis schon nach kurzer Betriebsdauer Zerstörungs- und Versagungserscheinungen auftreten.

Dadurch, daß die Pleuelbandage fest mit dem Pleuelschaft verbunden ist, ist nur ein ungeteiltes Kurbelzapfenauge sinnvoll, so daß die bekannte Pleuel-Kolben-Anordnung außer für Einzylindermotoren nur für Mehrzylindermotoren mit Hirth-Kurbelwelle verwendet werden kann.

Bei der bekannten Pleuel-Kolben-Anordnung nimmt im Betrieb die Pleuelbandage nicht nur Zugkräfte, sondern auch zusammen mit dem Pleuelschaft Druckkräfte auf. Eine Zug-Druck-Wechselbeanspruchung ist jedoch für Faserwerkstoffe nachteilig, da die die Pleuelbandage bildenden Faserstränge lediglich zur Aufnahme von Zuglasten geeignet sind. Eine Beanspruchung auf Druck kann schon nach kurzer Einsatzzeit zu Versagungserscheinungen, ja sogar zum Bruch der Pleuelbandage führen.
Dadurch, daß bei der bekannten Pieuel-Kolben-An-Ordnung die Pleuelbandage und der Pleuelschaft den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben sollen, ist die Materialauswahl bezüglich der für Pleuelschaft und Pleuelbandage eingesetzten Faser- und Matrixmaterialien sehr stark eingeschränkt.

Aus der DE-OS 32 04 093 ist ein Pleuel mit Kolbenbolzenauge und ungeteiltem Kurbelzapfenauge bekannt, welches einen Pleuelschaft und eine als Spannband ausgebildete Pleuelbandage aufweist, wobei das

Spannband derart vorgespannt ist, daß es in Betrieb nur auf Zug beansprucht wird. Eine Teilung des Kurbelzapfenauges ist bei diesem Pleuel ebenfalls nicht sinnvoll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Pleuel-Kolben-Anordnung der eingangs genannten Art mit einer Vollkunststoff-Pleuelstange eine werkstoff- und fertigungsgerechte Bauform zu schaffen, weiche 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

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Pleuelschaft 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, und daß die Pleuelbandage als montierbares, getrenntes Spannband ausgebildet ist

Das Spannband wird hierbei als eine Pleuelbandage verstanden, welche derart gegen den Pleuelschaft vorgespannt ist, daß im Betrieb der Pleuelschaft allein auf Druck und die Pleuelbandage allein auf Zug beansprucht wird.

Aus dem Stand der Technik sind zwar schon Kugelgelenkverbindungen zwischen Kolbenboden und Pleuelstange bekannt (DE-OS 23 44 951), doch haben die bekannten Kugelgelenke den Nachteil, daß der Kolben auch in einer Richtung parallel zur Achse des Kurbelzapfenauges verkippbar angeordnet ist

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 hergesieiit werden können und die erst nach dem Aushärten unter erst dann erzeugter Vorspannung zur vollständigen Pleuel-Kolbenkornbination zusammengesetzt werden. Der Pleuelschaft wird, weil er kolbenseitig nur noch abgestützt ist und auf der anderen Seite das Kurbelzapfenauge nur noch höchstens zur Hälfte umfaßt, im Betrieb allein auf Druck und die vom Pleuelschaft getrennte Pleuelbandage nur auf Zug beansprucht Der Pleuelschaft 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 Vorspannung am P'euelschaft und -im 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 Pleuelschaft voll erhalten bleibt. Weiter ermöglicht der schon im Kurbelzapfenauge endende Pleuelschaft 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-Kolben-Anordnung.

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. 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.

Weiter empfiehlt es sich, die Lagerbacken mit Spannschrauben am Kolbenboden zu verschrauben. Die Enden des Spannbandes werden hierzu zwischen dem Kolbenboden und den Lagerbacken eingespannt Das Spannband kann im Filament-windvig-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 Lagerbacken ergibt Die Spannschrauben dienen dann nicht nur der Befestigung der Lagerbacken am Kolbenboden, sondern auch dazu, das Spannband bis zur gewünschten Vorspannung zu spannen.

Im folgenden wird die Erfindung an einem in 'der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Pleuel-Kolben-Anordnung nach der Erfindung, und zwar in der linken Figurenhälfte eine Ansicht, in der rechten Figurenhälfte einen Längsschnitt, jeweils gesehen in Axiairichtung des Kurbelzapfenauges,

F i g. 2 eine Seitenansicht der Anordnung nach V i g. 1, und zwar in der rechten Figurenhälfte wiederum im Längsschnitt,

F- i g. 3 das Spannband der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 in einer perspektivischen Einzeldarstellung und

Fig.4 eine perspektivische Schemazeichnung der Anordnung nach den F i g. 1 und 2 mit teils weggebrochenen Teilen und ohne Lagerschale im Kurbelzapfenauge.

Bei der dargestellten Pleuel-Kolbenanordnung mit einer Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoffen für Zylinder-Kolben-Motoren mit ungeteilter Kurbelwelle ist der Kolben mit 1 und der im wesentlichen den Pleuelschaft bildende Pleuelschaft allgemein mit 2 bezeichnet. Die den Pleuelschaft 2 und das Kurbelzapfenauge 3 umschließende Pleuelbandage wird von einem Spannband 4 gebildet. Der Pleuelschaft 2 ist mit einem kolbenseiligen 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. Der Pleuelschaft 2 reicht am Kurbel· zapfenauge 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. Weiter ist für das Kurbelzapfenauge 3 eine am Pleuelschaft 2 abgestützte, bei 13 geteilte Lagerschale 12 vor-

gesehen. Das die Pleuelbandage bildende flexible Spannband 4 ist vom Pleuelschaft 2 und von der Lagerschale 12 getrennt und steht unter definierter Vorspannung, 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 Rovings im filament-winding-Verfahren mit anschließendem Aushärten im Ofen hergestellt und besitzt, wie insbesondere aus Fig.3 ersiehtlieh ist, die Spannbandenden bildenden Endschlingen 14. Der Pleuelschaft 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 der Pleuelschaft 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 Vorspannung ausgesetzt werden.

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 Kurbeizapfenauge 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.

Die Lagerbacken 15 sind mit Spannschrauben 18 am Kolbenboden 7 ve-schraubt. Zwischen dem Kolbenboden 7 und den 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.

Die zwei Scheiben 2.1, 12 des Pleuelschaftes 2 stehen sich parallel mit Abstand gegenüber. 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.

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 Gelenkkopfes 5 beider Scheiben 2.1,2.2 an der Gelenkschale 6 des Kolbenbodens 7.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Pleuel- Kolbenanordnung für Zylinder-Kolben-Motoren mit einer Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoffen, bestehend aus einem Pleuelschaft (2) und einer den Pleuelschaft und eine am Pleuelschaft abgestützte Lagerschale (12) als Kurbelzapfenauge (3) umfassenden, flexiblen, unter definierter Vorspannung stehenden Pleuelbandage, wobei der Pleuelschaft ferner am Kurbelzapfenauge nur bis zu einer Teilungsfläche (10-10) reicht, die im wesentlichen quer zu der durch die Achse (9) des Kurbelzapfenauges gehenden Pleuellängsachse (11) in der Mitte des Kurbelzapfenauges oder in der auf der Seite des Pleuelschafts liegenden Augenhälfte verläuft, und wobei die Pleuelbandage in einem Gelenkbereich zusammenläuft und mit den Enden am Kolbenboden (7) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Plertslschaft (2) im Gelenkbereich mit einem kolbenseitigsn Gelenkkopf (5) auf einer Gelenkschale (6) am Kolbenboden (7) abgestützt ist, wobei der Gelenkkopf und die Gelenkschale ein Gelenk mit zur Achse (9) des Kurbelzapfenauges (3) paralleler Gelenkachse (8) bilden, und daß die Pleuelbandage als montierbares, getrenntes Spannband (4) ausgebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannband (4) im Bereich der Gelenkachse (8) des Gelenkkopfes (5) an zwei am Kolbenboden (7) befestigten Lagerbacken (15) verläuft, die sich mit in bezug auf die Gelenkachse konvexen Lagerflächen (16) gegetiüberstc-nen und zwischen ihren Lagerflächen einen das Spannband aufnehmenden Führungsspalt (17) bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Führungsspalt (17) in Richtung der Pleuellängsachse (11) beidseitig der Gelenkachse (8) des Gelenkkopfes (5) erweitert, wobei die Lagerflächen (16) auf der dem Kolbenboden (7) zugewandten Seite das Spannband (4) zu seinen Befestigungsstellen am Kolbenboden umlenken und auf der entgegengesetzten Seite Abrollflächen für die zum Kurbelzapfenauge (3) verlaufenden Abschnitt des Spannbandes bilden.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerbacken (15) mit Spannschrauben (18) am Kolbenboden (7) verschraubt sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannband (4) mit Endschlingen (14) hergestellt und damit an den Spannschrauben (18) eingehängt ist.