DE10021172A1 - Geteiltes Pleuel, insbesondere für eine Verbrennungsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pleuel mit mindestens einem Pleuelauge, das mittels Bruchtrennung entlang einer Solltrennebene in Lagersattel und Lagerdeckel geteilt wird. Die bei der Bruchtrennung gebildete Trennfläche umgibt ringförmig die zur Verschraubung des Lagerdeckels mit dem Lagersattel vorgesehenen Schraubendurchführungen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die häufig beim Cracken des Pleuelauges entlang der ringförmigen Trennfläche auftretenden Doppelbrüche zu vermeiden und im Interesse der Festigkeit des gesamten Pleuels gleichzeitig den Flächeninhalt der Trennfläche so groß wie möglich zu gestalten. Um dies zu erreichen, werden die Wandungen der Schraubendurchführungen erfindungsgemäß mit bruchinitiierenden Konturierungen versehen, welche in der Ebene der Solltrennebene verlaufen. Diese Konturierungen dienen als Auffanglinien für die bei der Bruchtrennung auftretenden Teilrisse, so daß Doppelrisse vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein geteiltes Pleuel gemäß dem Oberbe­ griff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 43 22 832 A1 als bekannt hervorgeht.

Die DE 43 22 832 A1 beschreibt ein Pleuel mit einer geteilten Lageranordnung, die durch Abspalten eines die Lagerbohrung be­ grenzenden Lagerdeckels mittels Bruchtrennung (Cracken) gebil­ det ist. Die Bruchtrennung gewährleistet ein reproduzierbares paßgenaues Fügen von Lagerbasis und Lagerdeckel, welche nach dem Cracken mit Hilfe von Schrauben, welche die Bruchtrennflä­ che durchdringen, miteinander verbunden werden. Zur gezielten Bruchtrennung wird das Pleuel im Bereich der Solltrennebene, vorzugsweise im Bereich der Lagerfläche, mit einer möglichst scharfen Trennkerbe versehen, die als Ausgangspunkt für die während des Crackens zunächst gebildeten Starterrisse dient. Die beim Cracken entstehenden Solltrennflächen sind ringförmig ausgebildet und werden von außen durch die Querschnittsform des Pleuelauges, von innen durch die für die Verschraubung des La­ gerdeckels an den Lagersattel vorgesehenen Durchgangslöcher be­ grenzt.

Bei einer solchen ringförmigen Solltrennfläche kann allerdings das Problem auftreten, daß die Bruchflächen, die - von der Trennkerbe im Pleuelauge ausgehend - in gegenläufigen Umlauf­ richtungen die Schraubendurchführung umlaufen, sich am entge­ gengesetzten Ende nicht an der gleichen Stelle treffen. Dann resultieren Doppelbrüche und Risse, die von Materialausbrüchen begleitet sind. Diese Materialausbrüche führen einerseits zu Fehlstellen und somit zu einer Schwächung des Pleuels in dem ringförmigen Trennbereich; andererseits behindern die aufgrund von Doppelbrüchen freiwerdenden Metallbruchstücke den Montage­ vorgang des Pleuels, insbesondere das Einpressen der Lagerscha­ len in das Pleuelauge, und/oder verursachen - falls sie nicht vollständig entfernt werden - Schäden in dem mit dem Pleuel verbundenen Motor.

Diese Problematik des Auftretens von Doppelbrüchen kann, wie z. B. in der US 3 994 054 dargestellt, vermieden werden, wenn auf den Pleueln im Bereich jeder Solltrennfläche parallel zur Bruchebene eine Crackbohrung gesetzt wird, die als Angriffs­ punkt für ein Bruchwerkzeug dient und die Trennfläche in (je­ weils zusammenhängende) Teile aufteilt. Allerdings müssen hier die Innenwandungen der Crackbohrungen mit Trennkerben versehen werden; dies ist einerseits sehr aufwendig, setzt andererseits einen sehr großen Durchmesser der Bohrungen voraus und führt daher zu einer Schwächung des Pleuels im Bereich der Bruchflä­ che.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein durch Bruchtrennung geteiltes Pleuel so zu verbessern, daß das gesam­ te Pleuel eine möglichst hohe Festigkeit aufweist und mit mög­ lichst geringem Fertigungsaufwand herzustellen ist, und daß während Montage und Betrieb des Pleuels Störungen und Ausfälle aufgrund von Bruchstücken aus dem Bruchtrennbereich weitestge­ hend vermieden werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zum Bruchtrennen benötigte Solltrennstel­ le so zu gestalten, daß möglichst große paßgenaue Fügeflächen entstehen, und daß gleichzeitig das Auftreten von Doppelbrüchen bei der Bruchtrennung minimiert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Danach werden die Schraubendurchführungen, welche die Bruchtrennfläche durchdringen, im Bereich der Solltrennebene mit bruchinitiierenden Konturierungen versehen, die parallel zur Solltrennebene liegen. Während des Bruchtrennens dienen diese ringförmigen Konturierungen als Ausgangspunkte für Star­ terrisse, welche sich - ausgehend von der Schraubendurchführung - von innen nach außen fortpflanzen. Weiterhin stellen die Kon­ turierungen Auffanglinien für Starterrisse dar, die während des Bruchtrennvorgangs im Bereich anderer - z. B. in der Innenwan­ dung des Pleuelauges vorgesehener - Kerben erzeugt werden; alle entlang dieser Kerben entstehenden Risse münden also im Bereich der inneren Schraubendurchführungen in die ringförmigen Kontu­ rierungen. Durch die erfindungsgemäßen bruchinitiierenden Kon­ turierungen in der Wandung der Schraubendurchführungen wird so­ mit die Entstehung der oben beschriebenen gegenläufigen Teil­ risse, welche die Schraubendurchführung in entgegengesetzten Richtungen umlaufen und zu Doppelbrüchen führen, weitestgehend unterbunden.

Besonders günstig ist es, die bruchinitiierenden Konturierungen in der Wandung der Schraubendurchführungen als V-förmige Kerben auszuführen (siehe Anspruch 2). Die V-Kontur der Kerben sollte dabei möglichst scharf sein, um eine wohldefinierte Auffangli­ nie zu schaffen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ker­ bentiefe von 0.5 mm bis 0.8 mm herausgestellt (siehe Anspruch 3): Solche Kerben sind einerseits tief genug, um ein prozeßsi­ cheres Einmünden von Starterrissen, die in anderen Bereichen der Solltrennebene erzeugt wurden, in diese Konturierungen si­ cherzustellen und gleichzeitig eine räumlich konzentrierte Ge­ nerierung von Starterrissen zu gewährleisten; andererseits ist ihre Tiefe gering genug, um nur eine geringfügige Verringerung des Flächeninhalts der Bruchtrennfläche und somit eine nur ge­ ringfügige Beeinträchtigung der Stabilität des Pleuels zur Fol­ ge zu haben.

Die bruchinitiierende Konturierung der Schraubendurchführungen erfolgt im Rahmen der spanenden Bearbeitung des Pleuels vor der Bruchtrennung und erfordert daher keinen zusätzlichen Bearbei­ tungsschritt. Da während der spanenden Bearbeitung der Schrau­ bendurchführung des Pleuels eine mehrachsige Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommt, können insbesondere auch die oben be­ schriebenen V-förmig gekerbten Konturierungen ohne apparativen Mehraufwand (z. B. mit Hilfe eines Fräsers) und ohne Zusatzko­ sten in die Schraubendurchführungen eingebracht werden.

Eine besonders kraftarme und räumlich wohldefinierte Einleitung von Starterrissen läßt sich erreichen, wenn - zusätzlich zu der bruchinitiierenden Konturierung der Schraubendurchführungen - das Pleuelauge mit Trennkerben im Bereich der Solltrennebene versehen ist (siehe Anspruch 4). Die Bruchtrennung erfolgt dann zweckmäßigerweise mit Hilfe zweier Halbzylinder, welche gemein­ sam in das Pleuelauge eingeführt und dann mit entgegengesetzten Kräften beaufschlagt werden, was zu einer Einleitung von Star­ terrissen entlang der Kerben des Pleuelauges führt. Die erfin­ dungsgemäße bruchinitiierende Konturierung der Schraubendurch­ führung in der Solltrennebene dient als Auffanglinie für diese Starterrisse und unterbindet das Entstehen von Doppelbrüchen in der Bruchtrennfläche.

Besonders vorteilhaft erweist sich die bruchinitiierende Kontu­ rierung der Schraubendurchführungen bei geschmiedeten Stahlpleueln (siehe Anspruch 5), an die besonders hohe Festig­ keitsanforderungen gestellt werden: Die bruchinitiierende Kon­ turierung der Schraubendurchführung unterbindet nämlich einer­ seits die Doppelbrüche und führt andererseits zu einer nur un­ wesentlichen Reduktion des Flächeninhalts der Bruchfläche, wo­ durch eine gute Stabilität des Pleuels sichergestellt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei zei­ gen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Pleuels mit einem geteilten Pleuelauge;

Fig. 2 einen Schnitt II-II durch das Pleuelauge von Fig. 1 mit einer bruchinitiierenden Konturierung der Schrau­ bendurchführung . . .

Fig. 2a . . . in Form einer umlaufenden V-förmigen Kerbe,

Fig. 2b . . . in Form eines umlaufenden stufenförmi­ gen Absatzes.

Fig. 1 zeigt ein geteiltes Pleuel 1, das aus einem Pleuel­ schaft 2, einem Pleuelkopf 3 und einem Pleuelauge 4 besteht. Im Bereich des Pleuelauges 4 weist das Pleuel 1 eine Solltrennebe­ ne A auf, entlang derer das Pleuelauge 4 mit Hilfe eines Bruchtrennverfahrens in einen Lagersättel 5 und einen Lagerdec­ kel 6 aufgespalten werden soll. Im Bereich der Solltrennebene A ist das Pleuelauge 4 mit Trennkerben 7a und 7b versehen, welche parallel zur Solltrennebene A verlaufen und welche in der hier dargestellten bevorzugten Ausführung - bedingt durch das ge­ wählte Crackverfahren - im Inneren des Pleuelauges 4, d. h. im Bereich der Lagerfläche 8, angebracht sind. Weiterhin sind im Bereich des Pleuelauges 4 Schraubendurchführungen 9a, 9b für (nicht dargestellte) Befestigungsschrauben vorgesehen, die zur Befestigung des Lagerdeckels 6 auf dem Lagersattel 5 dienen. Die Schraubendurchführungen 9a, 9b durchdringen die Solltrenn­ ebene A unter einem näherungsweise rechten Winkel.

Erfindungsgemäß sind die Wandungen 10a, 10b der Schraubendurch­ führungen 9a, 9b im Bereich der Solltrennebene A, wie in Fig. 2a und 2b dargestellt, mit je einer bruchinitiierenden Kontu­ rierung 11a, 11b versehen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2a ist diese bruchinitiierende Konturierung 11a durch eine umlau­ fende V-förmige Kerbe 12 gebildet. Die Tiefe der Kerbe 12 be­ trägt etwa zwischen 0.5 mm bis 0.8 mm. Zur Herstellung der Ker­ be 12 wird zweckmäßigerweise ein Fräswerkzeug verwendet, dessen Schneidkontur mit einer scharfen Spitze versehen ist, so daß die damit erzeugte Kerbe 12 an ihrem Grund eine scharf defi­ nierte Auffanglinie 13 aufweist. Um die durch die Kerbe 12 gebildete Hinterschneidung herstellen zu können, ist das Fräs­ werkzeug in einer Exzenterspindel eingespannt.

Die Herstellung des dem geteilten Pleuels 1 zugrundeliegenden Rohlings erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Schmieden. Der Rohling wird einer spanenden Bearbeitung unter­ zogen, im Zuge derer die Schraubendurchführungen 9a, 9b ausge­ bohrt und abschnittsweise mit Gewinden 14a, 14b versehen werden. Im gleichen Arbeitsgang werden die Wandungen 10a, 10b der Schraubendurchführungen 9a, 9b mit den bruchinitiierenden Kontu­ rierungen 11a, 11b versehen. Weiterhin wird die Lagerfläche 8 des Pleuelauges 4 feinbearbeitet und mit Trennkerben 7a, 7b ver­ sehen. Nach Abschluß dieser spanenden Bearbeitung wird das Pleuelauge 4 mit Hilfe eines vorbekannten Bruchwerkzeugs gebro­ chen. Dabei wird die Bruchtrennung an den Trennkerben 7a, 7b eingeleitet, an denen zunächst Starterrisse entstehen, die sich flächenhaft ausbreiten und sich über die gesamte ringförmige Bruchfläche 15a, 15b hin fortpflanzen. Im Bereich der Schrauben­ durchführungen 9a, 9b laufen die Teilrisse in die Auffanglinie 13 ein, im Bereich derer die Wandung 10a, 10b der Schrauben­ durchführung 9a, 9b aufgrund der geometrischen Ausgestaltung der umlaufenden V-förmigen Kerbe 12 lokal geschwächt ist und daher die Teilrisse anzieht. Diese Auffanglinie 13 hat somit einen entscheidenden Einfluß auf den Verlauf der Teilrisse in der Bruchfläche 15a, 15b, indem sie die Teilrisse auffängt, gezielt entlang der Auffanglinie 13 weiterleitet und somit das Auftre­ ten von Doppelbrüchen und abbröckelndem Material unterbindet.

Nach der Bruchtrennung des Pleuels 1 wird der Lagerdeckel 6 mit Hilfe von Verbindungsschrauben, die durch die Schraubendurch­ führungen 9a, 9b geführt werden, mit dem Lagersattel 5 verbun­ den. Die Geometrie der Bruchfläche 15a, 15b zwischen Lagerdeckel 6 und Lagersattel 5 stellt dabei ein paßgenaues Fügen des Pleu­ elauges 4 sicher. In diesem Zusammenbauzustand erfolgt nun die Feinbearbeitung der Lagerfläche 8 des Pleuelauges 4.

Fig. 2b zeigt als alternative Ausgestaltung der bruchinitiie­ renden Konturierung 11a in der Wandung 10a der Schraubendurch­ führung 9a eine ringförmig umlaufende Stufe 16, die einer sprunghaften Änderung des Durchmessers der Schraubendurchfüh­ rung 9a entspricht. Der Außenumfang 17 der Stufe 16 bildet in diesem Fall die Auffanglinie 13' für Starterrisse, die während des Bruchtrennens an der Trennkerbe 7a im Bereich der Lagerflä­ che 8 erzeugt werden und die Bruchfläche 15a ringförmig umlau­ fen. Auch diese Gestaltung der Auffanglinie 13' unterbindet - wie die in Fig. 2a gezeigte - die Entstehung von Doppelbrüchen und gewährleistet eine wohldefinierte Bruchfläche 15a. Die Her­ stellung der in Fig. 2b gezeigten bruchinitiierenden Konturie­ rung 11a als umlaufende Stufe 16 ist besonders einfach, da sie durch Bohren, z. B. mit einem Stufenbohrer oder in zwei aufein­ anderfolgenden Bohroperationen mit Bohrstangen unterschiedli­ chen Durchmessers, erfolgen kann und daher keine Exzenterspin­ del erfordert.

Neben den in Fig. 2a und 2b gezeigten Ausgestaltungen der bruchinitiierenden Konturierungen 11a, 11b als Kerbe 7a bzw. Stufe 19a sind auch beliebige andere Konturierungen möglich. Wichtig ist, daß die Konturierung 11a, 11b eine klar ausgeprägte Auffanglinie 13, 13' aufweist, in der die unterschiedlichen Teilrisse zusammenlaufen bzw. die der Auslösung weiterer Star­ ter- und Teilrisse während des Bruchtrennens dient.

Die erfindungsgemäße rißfangende bzw. bruchinitiierende Kontu­ rierung 11a, 11b in der Wandung 10a, 10b der Schraubendurchfüh­ rung 9a, 9b ist besonders geeignet für geschmiedete Pleuel 1, da die üblicherweise an Schmiedepleuel gestellten Festigkeitsan­ forderungen durch die großen paßgenauen Fügeflächen, welche aufgrund der Konturierung der Schraubendurchführungen möglich sind, besonders gut erfüllt werden können. Die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch z. B. auf Guß- und Sinterpleuel anwendbar, die aus Stahl oder beliebigen anderen Werkstoffen (Leichtmetallen etc.) bestehen können.

Weiterhin ist es nicht notwendig, daß die Bruchtrennung - wie oben beschrieben - im Bereich der Lagerfläche 8 des Pleuelauges 4 eingeleitet wird: Alternativ kann z. B. auch - wie in Fig. 2a gestrichelt dargestellt - die Außenwand 18 des Pleuelauges 4 mit Trennkerben 19a versehen sein, über die die Bruchtrennung eingeleitet wird. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß ein quali­ tativ hochwertiges Crackergebnis auch erreicht werden kann, wenn auf die Trennkerben 7a, 19a im Bereich der Lagerfläche 8 bzw. an der Außenwand 18 des Pleuelauges 4 verzichtet wird: Wird zum Cracken ein (an sich bekanntes) Bruchtrennverfahren verwendet, bei dem in das Pleuelauge 4 zwei Halbzylinder einge­ führt werden, die mit Hilfe eines Dorns auseinandergetrieben werden, so erzeugen die dabei auf das Pleuelauge 4 einwirkenden Kräfte im Bereich der bruchinitiierenden Konturierungen 11a, 11b in den Wandungen 10a, 10b der Schraubendurchführungen 9a, 9b Starterrisse, die zur Bruchtrennung des Pleuelauges führen. Auch die auf diese Weise - d. h. ohne Verwendung zusätzlicher Trennkerben 7a, 19a - erzeugten Bruchflächen 15a sind frei von Doppelbrüchen und abbröckelnden Metallbröseln.

Claims (5)

1. Pleuel mit mindestens einem Pleuelauge,

• - das eine durch das Pleuelauge verlaufende Teilung auf­ weist, die durch Bruchtrennen des Pleuelauges gebildet ist,
• - wobei jede Bruchtrennfläche in ihrem Inneren von einer Schraubendurchführung durchdrungen ist,
• - und wobei das Pleuel im Bereich der Solltrennebene ab­ schnittsweise eine parallel zur Solltrennebene verlaufende bruchinitiierende Konturierung aufweist,

dadurch gekennzeichnet,
daß die bruchinitiierende Konturierung (11a, 11b) sich in der Wandung (10a, 10b) der Schraubendurchführung (9a, 9b) befin­ det.

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bruchinitiierende Konturierung (11a, 11b) als V- förmige Kerbe (12) ausgebildet ist.

3. Pleuel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kerbe (12) zwischen 0.5 und 0.8 mm liegt.

4. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) - zusätzlich zu der bruchinitiierenden Konturierung (11a, 11b) in der Wandung (10a, 10b) der Schrau­ bendurchführung (9a, 9b) - weitere in der Solltrennebene (A) verlaufende Trennkerben (7a, 7b) aufweist, welche im Bereich der Lagerfläche (8) des Pleuelauges (4) verlaufen.

5. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (1) ein Schmiedeteil aus Stahl ist.