-
Die
Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine
mit einem großen Pleuelauge mit einem Mittelpunkt und einem
kleinen Pleuelauge mit einem Mittelpunkt und einem Pleuelschaft,
wobei der Pleuelschaft zwei Längsstege und zumindest zwei
diese miteinander verbindende Verbindungsstege aufweist, wobei zumindest
drei Durchbrüche in dem Pleuelschaft gebildet sind.
-
Aus
der
DE 32 38 489 ist
eine Pleuelstange bekannt, bei der zwei Lageraugen über
zwei Längsstege so verbunden sind, daß die Längsstege
annähernd tangential an die Lageraugen angebunden sind.
Zur Versteifung gegen angreifende Querkräfte ist zwischen
den beiden Längsstegen zur gegenseitigen Abstützung
genau ein Quersteg vorgesehen. Durch die tangentiale Anbindung der
Längsstege an die Pleuelaugen soll eine verbesserte Krafteinleitung in
die Pleuelaugen erreicht werden.
-
In
der
DE 195 18 766
A1 wird eine aus glasfaserverstärktem Kunststoff
hergestellte Pleuelstange beschrieben, die eine Armierung durch
einen in Umfangsrichtung verlaufenden Draht aufweist. Der Draht
verläuft in mehreren über die Breite des Schafts
parallel nebeneinander liegenden Windungen und ist in den Kunststoff
eingebettet. Die Drahtarmierung schafft ein die hauptsächlichen
Zug- und Druckkräfte aufnehmendes Gerüst, dessen
Tragfähigkeit durch die Einbettung in den Kunststoff erhöht wird.
Beschrieben werden Pleuelstangen mit jeweils zwei Lageraugen, die
durch zwei parallele Längsstreben verbunden sind, wobei
die Längsstreben tangential an die Lageraugen angebunden
sind. Zwischen den Längsstreben sind zwei Querstreben vorgesehen,
die im rechten Winkel an die Längsstreben angebunden sind.
Hierdurch werden in dem Pleuelschaft drei Durchbrüche gebildet.
-
Aus
der
DE 41 14 488 C1 ist
eine Pleuelstange aus Sintermetall bekannt, bei der zwei Pleuelaugen
durch zwei Einzelstege, die unter einem spitzen Winkel zueinander
verlaufen, miteinander verbunden sind. Durch eine günstige
Gestaltung von Doppelradien im Übergang der Innenseiten
der Einzelstege an die Pleuelaugen soll ein verbesserter Kraftfluß zwischen
den Pleuelaugen über die Einzelstege erreicht werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pleuelstange bereitzustellen,
die ein geringeres Gewicht und eine hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit
aufweist.
-
Die
Lösung besteht in einer Pleuelstange für eine
Hubkolbenmaschine mit einem großen Pleuelauge mit einem
Mittelpunkt und einem kleinen Pleuelauge mit einem Mittelpunkt und
einem Pleuelschaft, wobei der Pleuelschaft zwei Längsstege
und zumindest zwei diese miteinander verbindende Verbindungsstege
aufweist, wobei zumindest drei Durchbrüche in dem Pleuelschaft
gebildet sind, wobei die zumindest zwei Verbindungsstege in Bezug auf
eine Längsebene des Pleuelschaftes unsymmetrisch verlaufen.
-
Die
vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Gestaltung
einer Pleuelstange liegt in der Optimierung des Kraftflusses zwischen
den Pleuelaugen und den Längsstegen des Pleuelschaftes.
Dabei gewährleisten die Verbindungsstege einerseits eine hohe
Sicherheit gegen Ausknicken der Längsstege und andererseits
ermöglichen sie durch ihre unsymmetrische Anordnung bezüglich
der Längsebene EL eine Aufnahme
von Zug- und Druckkräften. Weiterhin führt die
rahmenartige Struktur mit Durchbrüchen im Pleuelschaft
in vorteilhafter Weise zu einem geringen Gewicht der Pleuelstange,
was sich wiederum günstig auf den Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine auswirkt.
Zumindest zwei Verbindungsstege bedeutet, daß auch drei
oder mehr Verbindungsstege zwischen den Längsstegen vorgesehen
sein können. Dabei kann zumindest einer der zusätzlichen
Verbindungsstege auch symmetrisch zwischen den beiden Längsstegen
angeordnet sein.
-
Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung greifen die zumindest zwei Verbindungsstege
an den beiden Längsstegen mit einem Abstand zu Endstegen an,
die die Pleuelaugen von dem jeweils benachbarten Durchbruch trennen.
Vorzugsweise verlaufen die zumindest zwei Verbindungsstege, bezogen
auf die Längsmittelebene EL, unter
einem Winkel von 45° ± 10°, insbesondere
45° ± 5°. Hierdurch ergibt sich eine
besonders hohe Steifigkeit des Pleuelschafts.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform sind genau zwei Verbindungsstege
vorgesehen, die an dem einen der beiden Längsstege etwa
mittig angreifen. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, daß der Längssteg,
an dem die Verbindungsstege in etwa mittig angreifen, in dem Bereich
seiner größten Knickgefährdung unterstützt
wird. Hierbei erfolgt die Unterstützung dieses Längsstegs über
die Verbindungsstege mittelbar an dem gegenüberliegenden Längssteg,
wobei letzterer durch die Verbindungsstege dreigeteilt wird. Somit
weisen die beiden Längsstege eine niedrige Knicklänge
auf, was sich günstig auf die Festigkeit und die Steifigkeit
auswirkt. Weiterhin wird durch die verhältnismäßig
großen Durchbrüche eine Verringerung des Gewichts
erreicht, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades führt.
-
In
Fällen, in denen eine längere Pleuelstange zum
Einsatz kommt, sind selbstverständlich alternative Ausführungsformen
mit einem Pleuelschaft, der beispielsweise drei Verbindungsstege
ausbildet, denkbar. Auch hier behalten die Verbindungsstege einen
Abstand zu den Stegen, die die Pleuelaugen von dem jeweils benachbarten
Durchbruch trennen, so daß bei einer Ausführungsform
mit drei Verbindungsstegen beide Längsstege dreigeteilt
werden. Auch Ausführungsformen mit mehr als drei Verbindungsstegen
sind prinzipiell denkbar.
-
Bevorzugt
weisen die Längsstege gerade Stegabschnitte mit geraden
Außenflanken auf. Hierbei ist insbesondere vorgesehen,
daß das Verhältnis des Abstandes L der Mittelpunkte
M1 und M2 der Pleuelaugen
zu der Länge L2 der geraden Stegabschnitte
zwischen 1,75 und 2,25, insbesondere zwischen 1,9 und 2,0, beträgt.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Pleuelschaft
an dem Ende der geraden Stegabschnitte, welches dem kleinen Pleuelauge
zugeordnet ist, eine erste Breite B1 und an
dem anderen Ende der geraden Stegabschnitte, welches dem großen
Pleuelauge zugeordnet ist, eine zweite Breite B2 aufweist,
wobei das Verhältnis der Breite B1 zu
der Breite B2 zwischen 1,0 und 1,2, insbesondere
zwischen 1,0 und 1,1 beträgt. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch
eine schlanke Gestaltung des Pleuelschaftes, da vorge sehen ist,
daß die geraden Stegabschnitte des Pleuelschaftes nahe
an das große Pleuelauge herangeführt werden und über
einen Radius an das große Pleuelauge anschließen.
Der Radius beträgt vorzugsweise 30 bis 50 mm, insbesondere
40 mm. Diese Gestaltung ist insbesondere vor dem Hintergrund vorteilhaft,
daß dieser Anschlußbereich einerseits schon in
den Zylinder eintaucht und andererseits infolge der Kurbelwellenkröpfung
eine deutliche Seitwärtsbewegung ausführt, so
daß sichergestellt ist, daß sich die Pleuelstange bezüglich
der Zylinderwandung frei bewegen kann. Grundsätzlich kann
dieser Radius im Übergang zu dem großen Pleuelauge
aber auch abweichend von etwa 40 mm dimensioniert werden.
-
Vorzugsweise
weisen die geraden Stegabschnitte der Längsstege im Bereich
der Durchbrüche gerade Innenflanken auf. Besonders günstig
ist, wenn die geraden Stegabschnitte der Längsstege auch
gerade Außenflanken ausbilden, so daß die Längsstege
einen gleichbleibenden Querschnitt über die Länge
L2 aufweisen.
-
In
Konkretisierung ist vorgesehen, daß die zu den Pleuelaugen
benachbarten Durchbrüche jeweils trapezförmig
gestaltet sind, wobei Übergangsbereiche jeweils zwischen
zwei benachbarten Stegen, die den jeweiligen Durchbruch begrenzen,
durch Radien gebildet sind. Die Radien betragen vorzugsweise 3 bis
5 mm, insbesondere 4 mm. Hierdurch wird vorteilhaft eine geringe
Kerbwirkung erreicht. Insbesondere wird es als günstig
erachtet, daß die an die Endstege der Pleuelaugen angrenzenden
Wandungen der Durchbrüche senkrecht zu der Längsebene
EL verlaufen.
-
Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß ein
zwischen den zumindest zwei Verbindungsstegen gebildeter Durchbruch
in Form eines Dreiecks gestaltet ist, wobei Übergangsbereiche
zwischen jeweils zwei benachbarten Stegen, die den Durchbruch umgrenzen,
durch Radien gebildet sind. Durch die Radien wird auch hier eine
geringe Kerbwirkung erreicht.
-
Insgesamt
wird als zweckmäßig erachtet, daß genau
zwei Verbindungsstege den gleichen Winkel bezogen auf eine Querebene
EQ aufweisen, die senkrecht zur Längsebene
EL verläuft. Dies wirkt sich günstig
auf einen gleichmäßigen Kraftfluß zwischen den
beiden Pleuelaugen über den Pleuelschaft aus.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird nachstehend beschrieben. Hierin zeigt
-
1 eine
erfindungsgemäße Pleuelstange in der Vorderansicht;
-
2 eine
erfindungsgemäße Pleuelstange im Längsschnitt
gemäß Schnittlinie I-I aus 1;
-
3 eine
erfindungsgemäße Pleuelstange in der Seitenansicht
mit einem Teilschnitt gemäß Schnittlinie II-II
aus 1.
-
Die 1 und 2 werden
gemeinsam beschrieben. Dargestellt ist eine Pleuelstange 1 für
einen Hubkolbenmotor. Die Pleuelstange 1 weist kurbelwellenseitig
ein großes Pleuelauge 2 und kolbenseitig ein kleines
Pleuelauge 3 auf, welche durch einen Pleuelschaft 4 miteinander
verbunden sind. Der Pleuelschaft 4 weist zwei in Richtung
zum kleinen Pleuelauge 3 sich verjüngende Längsstege 5, 6 auf, die
durch zwei unter etwa 45° zu der Längsebene EL verlaufende Verbindungsstege 7, 8 miteinander
verbunden sind. In dem Pleuelschaft 4 sind drei Durchbrüche 11, 12, 13 zwischen
den Stegen 14, 5, 6, 7, 8, 15 gebildet.
Die Pleuelaugen 2, 3 haben jeweils einen Mittelpunkt
M1 bzw. M2, deren
Abstand zueinander das Stichmaß L1 bestimmt,
welches beispielsweise 129 mm betragen kann.
-
Das
große Pleuelauge 2 ist in einer Trennebene ET in einen Pleuelkopf 31 und einen
Pleueldeckel 30 unterteilt. Der Pleuelkopf 31 und
der Pleueldeckel 30 sind mittels zweier Schrauben 32, 33 miteinander
verbunden sind.
-
Die
zwei Verbindungsstege 7, 8 greifen an dem einen
Längssteg 5 etwa mittig an. Ausgehend von diesem
Angriffspunkt verlaufen die beiden Verbindungsstege 7, 8 unter
Einbeschreibung eines rechten Winkels in Richtung des anderen Längsstegs 6.
An dem Längssteg 6 greifen die beiden Verbindungsstege 7, 8 mit
einem gewissen Abstand zu den Pleuelaugen 2, 3 an,
so daß der Längssteg 6 durch die zwei
Verbindungsstege 7, 8 etwa dreigeteilt wird.
-
Der
erste Durchbruch 11 wird zwischen dem Endsteg 14 des
kleinen Pleuelauges 3, den beiden Längsstegen 5, 6 und
dem Verbindungssteg 7 gebildet. Der zweite Durchbruch 12 wird
zwischen den beiden Längsstegen 5, 6 und
den beiden Verbindungsstegen 7, 8 gebildet und
ist zwischen dem ersten Durchbruch 11 und dem dritten Durchbruch 13 angeordnet.
Der dritte Durchbruch 13 ist zwischen dem Verbindungssteg 8,
den beiden Längsstegen 5, 6 und dem Endsteg 15 des
großen Pleuelauges 2 gebildet.
-
Die
zu den Pleuelaugen 2, 3 benachbarten Durchbrüche 11, 13 sind
jeweils trapezförmig gestaltet. Hierbei verlaufen die an
die Endstege 14, 15 der Pleuelaugen 2, 3 angrenzenden
Wandungen 16, 17 der Durchbrüche 11, 13 senkrecht
zur Längsebene EL. Der zwischen
den Durchbrüchen 11, 13 angeordnete Durchbruch 12 ist
dreieckig gestaltet. Bei allen drei Durchbrüchen 11, 12, 13 sind
die Übergangsbereiche zwischen jeweils benachbarten Stegen,
die den jeweiligen Durchbruch 11, 12, 13 umgrenzen, durch
Radien R1 gebildet, die vorzugsweise 3 bis
5 mm betragen.
-
Die
Längsstege 5, 6 weisen gerade Stegabschnitte 18, 19 der
Länge L2 mit geraden Außenflanken 20, 21 auf.
Das Verhältnis des Stichmaßes L1, daß heißt
der Abstand der Mittelpunkte M1, M2 der Pleuelaugen 2, 3,
zu der Länge L2 der geraden Stegabschnitte 18, 19 beträgt
zwischen 1,75 und 2,25, insbesondere zwischen 1,9 und 2,0.
-
Der
Pleuelschaft 4 weist an dem Ende der geraden Stegabschnitte 18, 19,
welches dem kleinen Pleuelauge 3 zugeordnet ist, eine erste
Breite B1 und an dem anderen Ende der geraden
Stegabschnitte 18, 19, welches dem großen
Pleuelauge 2 zugeordnet ist, eine zweite Breite B2 auf, wobei das Verhältnis der
Breite B1 zu der Breite B2 zwischen
1,0 und 1,2, insbesondere zwischen 1,0 und 1,1 beträgt.
Mit anderen Worten ist der Winkel, mit dem sich die Längsstege 5, 6 in
Richtung zum großen Pleuelauge 2 erweitern, verhältnismäßig
klein, was sich günstig auf das Gewicht der Pleuelstange 1 auswirkt.
-
Die
geraden Außenflanken 20, 21 gehen über
Radien R2, die vorzugsweise zwischen 15
und 25 mm betragen, in den Außendurchmesser 22 des kleinen
Pleuelauges 3 über. Hierbei ist der Außendurchmesser 22 vorliegend
größer als die erste Breite B1 des
Pleuelschafts 4. Es kann aber auch vorgesehen werden, daß der
Außendurchmesser 22 kleiner oder gleich der Breite
B1 ist.
-
Die
geraden Stegabschnitte 18, 19 der Längsstege 5, 6 weisen
im Bereich der Durchbrüche gerade Innenflanken 23, 24 auf.
Hierdurch ergibt sich, daß die geraden Stegabschnitte 18, 19 der Längsstege 5, 6 im
wesentlichen einen gleichbleibenden Querschnitt über ihre
Länge L2 aufweisen.
-
Die
Durchbrüche 11, 13 weisen auf der geraden
Innenflanke 24 gerade Wandungen 26, 27 auf. Der
Durchbruch 12 weist auf der geraden Innenflanke 23 einen
gerade Wandung 28 auf. Die Wandungen 26, 27, 28 haben
in etwa die gleiche Länge. Durch diese gleichmäßige
Gestaltung ergibt sich ein günstiger Kraftfluß und
eine hohe Steifigkeit.
-
Die
geraden Außenflanken 20, 21 gehen über
Radien R3 in die Breite B3 des
großen Pleuelauges 2 über. Die Radien
R3 sind vorzugweise größer als
die Radien R2, mit denen die geraden Außenflanken 20, 21 in
das kleine Pleuelauge 3 übergehen.
-
Es
wird vorgeschlagen die Pleuelstange 1 durch Schmieden herzustellen
und anschließend die Oberfläche in einem ersten
Schritt zu polieren und in einem zweiten Schritt kugelzustrahlen.
Hierbei wir als zweckmäßig erachtet, bei einer
Dauer des Strahlvorganges von etwa 30 Minuten, ein Strahlgut, z.
B. in Form von Kugeln, mit einem Durchmesser von etwa 0,4 bis etwa
1,2 mm zu verwenden.
-
3 zeigt
eine Seitenansicht der Pleuelstange 1 mit einem Teilschnitt
durch die Schraube 32. Bei der Montage des Pleueldeckels 30 auf
dem Pleuelkopf 31 wird die Schraube 32 von der
dem Pleuelschaft 4 abgewandten Seite durch eine Bohrung 34 im
Pleueldeckel 30 durchgesteckt. Bezüglich der Schraube 33 erfolgt
dies gleichermaßen. Anschließend wird die Schraube 32 mit
dem Außengewinde 35 in das Innengewinde 36 der
durchgehenden Bohrung 37 in den Pleuelkopf 31 eingeschraubt.
Die Schraube 32 weist zwischen Schraubenkopf 38 und Schraubenschaft 43 eine
scheibenähnliche Verbreiterung 39 auf, die in
montiertem Zustand in direkte Anlage mit einer Stirnfläche 40 der
Bohrungswandung 41 gelangt. Hierbei ist die Stirnfläche 40 Teil
einer Verbreiterung 42, die die Bohrungswandung 41 im
ersten Abschnitt der Bohrung 34 aufweist. Hierbei entspricht
die Breite der Stirnfläche 40 annähernd
der Breite, der an ihr anliegenden scheibenähnlichen Verbreiterung 39 des
Schraubenkopfes 38. Die Schraube 32 ist vorzugsweise
als Dehnschaftschraube und abhängig von dem Belastungsniveau
vorzugsweise in 3/8-Zoll, 5/16-Zoll, 7/16-Zoll, ¼-Zoll oder
10 × 1,5-metrisch ausgeführt.
-
Alternativ
zur der Montage der Schrauben 32, 33 von der dem
Pleuelschaft 4 abgewandten Seite kann auch eine Montage
der Schrauben von der Seite des Pleuelschafts aus erfolgen. Dies
wird im folgen ohne Bezug auf eine Figur beschrieben. Hierbei werden
die Schrauben durch eine Bohrung im Pleuelkopf durchgesteckt und
anschließend mit ihrem Außengewinde in ein Innengewinde
einer Bohrung in dem Pleueldeckel eingeschraubt. Der Schraubenkopf
kommt hierbei mit seiner scheibenähnlichen Verbreiterung
im Bereich des Radius R3 an einer parallel
zur Trennebene ET verlaufenden Anlagefläche
zur Anlage.
-
Alternativ
zu einer Dehnschaftschraube kann auch ein Dehnstehbolzen mit einer
Mutter mit einer scheibenähnlichen Verbreiterung zur Anwendung kommen.
Hierbei wird zunächst der Dehnstehbolzen in das Innengewinde
des Pleuelkopfes, bei Montage von der dem Pleuelschaft abgewandten
Seiten, bzw. in das Innengewinde des Pleueldeckels, bei Montage von
Seite des Pleuelschafts, eingeschraubt und anschließend
die Mutter auf den Dehnstehbolzen aufgeschraubt.
-
Die
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Pleuelstange 1 weist vorteilhaft eine größere
Sicherheit gegen Ausknicken auf, da ihr Pleuelschaft 4 in
dem gefährdeten Bereich durch Verbindungsstege 7, 8 verstärkt
ist. Die bezogen auf eine Querebene EQ,
die senkrecht zu der Längsebene EL steht,
unter einem Winkel angeordnete Verbindungsstege 7, 8 können
Zug- und Druckkräfte aufnehmen. Indem der Pleuelschaft 4 drei
Durchbrüche 11, 12, 13 ausbildet, wird
eine erhebliche Gewichtsreduktion bei gestiegener Festigkeit erreicht.
Insgesamt kann bei dem Zusammenbau einer Pleuelstange 1 mit
einem Kolben (nicht dargestellt) eine Gewichtsreduktion von bis
zu 25% verglichen mit dem Einsatz einer massiv ausgebildeten Pleuelstange
erreicht werden. Somit wird letztlich durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Pleuelstange 1 ein
verbesserter Wirkungsgrad erzielt.
-
- 1
- Pleuelstange
- 2
- großes
Pleuelauge
- 3
- kleines
Pleuelauge
- 4
- Pleuelschaft
- 5
- Längssteg
- 6
- Längssteg
- 7
- Verbindungssteg
- 8
- Verbindungssteg
- 11
- Durchbruch
- 12
- Durchbruch
- 13
- Durchbruch
- 14
- Steg
- 15
- Steg
- 16
- Wandung
- 17
- Wandung
- 18
- gerader
Stegabschnitt
- 19
- gerader
Stegabschnitt
- 20
- gerade
Außenflanke
- 21
- gerade
Außenflanke
- 22
- Außendurchmesser
- 23
- gerade
Innenflanke
- 24
- gerade
Innenflanke
- 25
- Übergangsbereich
- 26
- Wandung
- 27
- Wandung
- 28
- Wandung
- 30
- Pleueldeckel
- 31
- Pleuelkopf
- 32
- Schraube
- 33
- Schraube
- 34
- Bohrung
- 35
- Außengewinde
- 36
- Innengewinde
- 37
- Bohrung
- 38
- Schraubenkopf
- 39
- scheibenähnliche
Verbreiterung
- 40
- Stirnfläche
- 41
- Bohrungswandung
- 42
- Verbreiterung
- 43
- Schraubenschaft
- EL
- Längsebene
- EQ
- Querebene
- ET
- Trennebene
- L1, L2
- Länge
1, Länge 2
- R1, R2, R3
- Radius
1, Radius 2, Radius 3
- B1, B2, B3
- Breite
1, Breite 2, Breite 3
- M1, M2
- Mittelpunkt
1, Mittelpunkt 2
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3238489 [0002]
- - DE 19518766 A1 [0003]
- - DE 4114488 C1 [0004]