DE10207981A1

DE10207981A1 - Pleuel

Info

Publication number: DE10207981A1
Application number: DE2002107981
Authority: DE
Inventors: Michael Schober; Reinhold Schoenacher; Siegfried Sikorski
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Ein Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welches zu seinem überwiegend größten Teil aus einem Verbundwerkstoff besteht, weist ein großes Auge zur Verbindung mit einer Kurbelwelle, ein kleines Auge zur Verbindung mit einem Kolben und einen das große Auge mit dem kleinen Auge verbindenden Pleuelschaft auf. Das Pleuel ist im Bereich des großen Auges zur Verbindung mit der Kurbelwelle in zwei Pleuelteile geteilt, welche mittels wenigstens eines Verbindungselementes miteinander verbunden sind. Die beiden Pleuelteile sind im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange voneinander getrennt. Das wenigstens eine Verbindungselement ist im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welches zu seinem überwiegend größten Teil aus einem Verbundwerkstoff besteht, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Die EP 0 678 681 B1 beschreibt ein gattungsgemäßes Pleuel. Derartige Pleuel aus Verbundwerkstoffen, also aus einem Material mit einer Faden- oder Faserarmierung, die in eine ausgehärtete Matrix aus Kunststoff oder dergleichen eingebettet ist, weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine hohe Festigkeit, eine ausreichende Temperaturbeständigkeit und insbesondere eine sehr geringe Dichte auf. Aus diesen Gründen können solche Pleuel beispielsweise im Motorsport eingesetzt werden, wo die hohen Kosten eine geringere Rolle spielen.

Bezüglich weiterer Pleuel, die von Verbundwerkstoffen Gebrauch machen, wird auf die DE 37 08 760 A1, die DE 36 10 134 C2, die JP 0620124310 AA, die DE 33 29 001 A1, die JP 0580156714 AA und die DE 29 51 112 C2 verwiesen.

Nachteilig bei dem gattungsgemäßen Pleuel ist, wie bei sämtlichen anderen derartigen Pleueln, daß die Verbindung der beiden Pleuelteile im Bereich des großen Auges die Dauerfestigkeit des gesamten Pleuels aufgrund der hierfür erforderlichen Bohrungen erheblich verringert. Dadurch müssen solche Pleuel gegenüber gewöhnlichen Pleueln aus metallischen Werkstoffen meist überdimensioniert werden, um Beschädigungen im Betrieb zu vermeiden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pleuel aus einem Verbundwerkstoff zu schaffen, welches bei einer möglichst geringen Baugröße eine möglichst hohe Festigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Teilung der beiden Pleuelteile im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange und die Verbindung in einer im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange verlaufenden Richtung kann das erfindungsgemäße Pleuel mit einer sehr geringen Baugröße ausgeführt werden, da der die hohe Festigkeit des Pleuels gewährleistende Verbundwerkstoff durch die für das Verbindungselement gegebenenfalls erforderliche Querbohrung kaum geschwächt wird und somit vorteilhafterweise keine Überdimensionierung erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Konstruktion ermöglicht eine günstige Krafteinleitung, da eine Umlenkung der Fasern nicht erforderlich ist und der verwendete Verbundwerkstoff nur eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber einer Kerbwirkung aufweist.

Durch die geringe Baugröße und die sich hieraus ergebende geringe Masse des erfindungsgemäßen Pleuels sind bei der Verwendung desselben in einer Brennkraftmaschine vorteilhafterweise sehr hohe Drehzahlen möglich.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Pleuels ist die Tatsache, daß für das Erreichen einer festen Verbindung zwischen den beiden Pleuelteilen in einer einfachen Ausführung lediglich ein einziges Verbindungselement erforderlich ist, was sowohl den Material- und damit Kostenaufwand verringert als auch eine einfachere Montage ermöglicht.

Zum Erreichen einer Verdrehsicherung zwischen den beiden Pleuelteilen kann in einer vorteilhaften Ausführungsform zusätzlich zu dem ersten Verbindungselement wenigstens ein weiteres Verbindungselement vorgesehen sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Pleuel im Schnitt; und
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1.
Ein Pleuel 1 gemäß Fig. 1 für eine in ihrer Gesamtheit nicht dargestellte Brennkraftmaschine weist in an sich bekannter Weise ein großes Auge 2 zur Verbindung des Pleuels 1 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle und ein kleines Auge 3 zur Verbindung des Pleuels 1 mit einem ebenfalls nicht dargestellten Kolben auf. Die Verbindung des Pleuels 1 mit der Kurbelwelle und dem Kolben an den beiden Augen 2 und 3 kann in an sich bekannter Weise erfolgen, so daß zur Anbringung des Kolbens an dem kleinen Auge 3 beispielsweise ein Kolbenbolzen erforderlich sein kann.
Das Pleuel 1 weist in an sich bekannter Weise zwei Pleuelteile 4 und 5 auf, die jedoch, wie im folgenden näher beschrieben wird, völlig anders als diejenigen bislang bekannter Pleuel aufgebaut und insbesondere miteinander verbunden sind. So wird das erste Pleuelteil 4, welches das kleine Auge 3 aufweist, von dem zweiten Pleuelteil 5 an seiner Außenkontur umschlossen, wobei das zweite Pleuelteil 5 hierzu im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Sowohl das erste Pleuelteil 4 als auch das zweite Pleuelteil 5 weisen jeweils Schlaufen 4a und 5a auf, welche, wenn die beiden Pleuelteile 4 und 5 wie im folgenden beschrieben miteinander verbunden werden, gemeinsam das große Auge 2 bilden. Das erste Pleuelteil 4 weist des weiteren eine das große Auge 2 mit dem kleinen Auge 3 verbindende Pleuelstange 6 auf.
Die beiden Pleuelteile 4 und 5 sind im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange 6 voneinander getrennt und mit einem im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange 6 angeordneten, die Zugkräfte zwischen den beiden Pleuelteilen 4 und 5 aufnehmenden Verbindungselement 7 kraftschlüssig miteinander verbunden. Diese Anordnung des Verbindungselementes 7 in Querrichtung des Pleuels 1 wird also dadurch ermöglicht, daß die beiden Pleuelteile 4 und 5 nicht wie bei bekannten Pleueln in Querrichtung, sondern in Längsrichtung der Pleuelstange 6 geteilt sind.
Dadurch, daß das Pleuelteil 5 nach oben in Richtung des Pleuelteils 4 gezogen ist und dieses überlappt, ergeben sich zwei sehr große, in Längsrichtung der Pleuelstange 6 verlaufende Trennflächen 8 und 9, an denen die beiden Pleuelteile 4 und 5 miteinander in Verbindung stehen. An diesen beiden Trennflächen 8 und 9 können die beiden Pleuelteile 4 und 5 außerdem miteinander verklebt sein, um eine noch bessere Festigkeit der Verbindung zwischen den beiden Pleuelteilen 4 und 5 zu erreichen und Mikrobewegungen zu verhindern.
Nach dieser möglichen Verklebung der beiden Pleuelteile 4 und 5 werden zwei weitere Verbindungselemente 10 in jeweilige Bohrungen 11 in den beiden Pleuelteilen 4 und 5 eingebracht, welche im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange 6 verlaufen. Diese beiden, im vorliegenden Fall als Paßstifte ausgebildeten Verbindungselemente 10 stellen eine Verdrehsicherung der beiden Pleuelteile 4 und 5 gegenüber einander sicher. Anschließend wird das erste Verbindungselement 7, welches im vorliegenden Fall eine Schraube 12 und eine zugehörige Mutter 13 aufweist, durch eine ebenfalls im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Pleuelstange 6 verlaufende Bohrung 14 hindurchgeführt und die beispielsweise aus einem hochfesten Stahl bestehende Schraube 12 wird mit der Mutter 13 fest verschraubt. Alternativ hierzu könnten sich in dem Pleuelteil 4 auch Gewinde befinden, in welche zwei Schrauben, die dann das Verbindungselement 7 darstellen würden, eingeschraubt werden könnten.
Der beschriebene Aufbau des Pleuels 1 kommt zum Einsatz, wenn die beiden Pleuelteile 4 und 5 aus einem Verbundwerkstoff bestehen, der im vorliegenden Fall eine Matrix 15 aus Kunstharz und darin eingebettete Fasern 16 und 17 aus einem Kohlenstoffwerkstoff aufweist. Als Kunstharze für die Matrix 15 können dabei beispielsweise Epoxid-, Polyester-, Polyimid-, Polybismaleimid, oder Zyanester-Phenolharze verwendet werden. Die Fasern 16 und 17 bestehen vorzugsweise aus Karbon oder aus Keramik, beispielsweise aus Siliziumkarbid, oder aus einer Mischung verschiedener Fasern, gegebenenfalls auch unter Verwendung von Glasfasern. Die Herstellung des Verbundwerkstoffes, der dem Pleuel 1 eine sehr hohe Festigkeit verleiht, ist allgemein bekannt, weshalb im folgenden nicht detailliert darauf eingegangen wird.
Wie in Fig. 1 erkennbar, verläuft der größte Teil der Fasern, nämlich die Fasern 16, entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5. Ein Teil der Fasern, nämlich die Fasern 17, verläuft jedoch auch in einem Winkel von vorzugsweise 45° um die entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5 verlaufenden Fasern 16. Die in einem Winkel von ca. 45° verlaufenden Fasern 17 haben in dieser Ausführung einen Anteil von ca. 30%, wohingegen die parallel zu der Außenkontur verlaufenden Fasern 16 einen Anteil von ca. 70% an den gesamten Fasern besitzen. Diese Anteile können selbstverständlich in Abhängigkeit von der Geometrie und der zu erwartenden Beanspruchung des Pleuels 1 variieren. Durch die Aufteilung in die beschriebenen Fasern 16 und 17 wird eine größtmögliche Festigkeit des Pleuels 1 erreicht, wobei der Verlauf der Fasern 16 und 17 gemäß Fig. 1 als rein beispielhaft anzusehen ist.
Um eine einfachere Herstellbarkeit der beiden Pleuelteile 4 und 5 zu ermöglichen, können die Fasern 16 und 17 jeweils in nur teilweise angedeutete Faserschläuche 18 eingebettet sein, welche außerdem eine Spaltung der Fasern 16 und 17 durch aufgrund des Verbindungselementes 7 eingeleiteter Querkräfte verhindern.
In dem Schnitt gemäß Fig. 2 ist die Kontur des ersten Pleuelteils 4 erkennbar, welches im Querschnitt doppel-T-förmig bzw. H-förmig ausgebildet ist. Der Mittelteil 4b des ersten Pleuelteiles 4, also derjenige Teil, der sich zwischen den beiden Teilen der Schlaufe 4a befindet, weist eine wesentlich geringere Dicke auf, da die in diesem Bereich auftretenden Druckkräfte geringer sind als die Zugkräfte an den Schlaufe 4a und 5a. Je nach Art der Belastung des Pleuels 1 sind allerdings auch andere Querschnitte denkbar.
Im Bereich des Mittelteils 4b sind die Fasern 16 und 17 bzw. einzelne vor dem Einlegen in die zum Herstellen des Verbundwerkstoffes erforderliche Form gebildete Faserstränge mittels eines Fadens 19 miteinander vernäht, um eine höhere Festigkeit, insbesondere gegenüber einer Druckbelastung zu erreichen. Es ist dabei möglich, den Faden 19 als Nähfaden oder als Heftfaden zu verwenden.
Aufgrund der im wesentlichen entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile 4 und 5, also entlang der Schlaufen 4a und 5a, verlaufenden Fasern 16 wird die Festigkeit des Pleuels 1 durch die Bohrung 14 für das Verbindungselement 7 kaum verringert, da der beschriebene Verbundwerkstoff auf derartige Querschnittsverringerungen aufgrund seiner hohen Lochleibungsfestigkeit sehr unkritisch reagiert und eventuelle Ausreißkräfte durch das Verbindungselement 7 keine Beschädigungen verursachen können. Dadurch kann das Pleuel 1 sehr gering dimensioniert werden und damit eine geringe Masse aufweisen. Mit einem solchen Pleuel 1 sind im Einsatz desselben bei Brennkraftmaschinen aufgrund der reduzierten Schwungmassen erheblich größere Drehzahlen möglich.
Innerhalb des großen Auges 2 und gegebenenfalls auch innerhalb des kleinen Auges 3 befinden sich Lagerschalen 20 und 21, welche jeweils aus Halbschalen 20a und 20b bzw. 21a und 21b bestehen. Vor der Montage des Pleuels 1 können die Lagerelemente 20 und 21 noch mechanisch bearbeitet werden, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu erreichen.
Die Halbschalen 20a, 20b, 21a und 21b weisen an ihrem jeweiligen Innenumfang, also an ihrer der Kurbelwelle bzw. dem Kolbenbolzen zugewandten Seite, ein beispielsweise aus Messing oder einem anderen geeigneten Lagerwerkstoff bestehendes Blech und an ihrer der Matrix 15 zugewandten Seite einen Filz auf, der sich bei der Herstellung des Verbundwerkstoffes mit der Matrix 15 verbindet und so ein festes Bestandteil des Pleuels 1 wird. Das Blech und der Filz können beispielsweise durch Löten oder Sintern miteinander verbunden werden.
Des weiteren ist es möglich, daß das Blech auf der der Matrix zugewandten Seite eine Mikrostruktur aufweist, welche z. B. durch das Aufsintern von zuvor aufgesprühtem Metallpulver entstehen kann. Dadurch wird eine bessere Haftung ohne zusätzliches Kleben erreicht und es kann gegebenenfalls auf den oben beschriebenen Filz verzichtet werden, so daß das Blech direkt mit der Matrix verbunden wäre.

Claims

1. Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welches zu seinem überwiegend größten Teil aus einem Verbundwerkstoff besteht, mit einem großen Auge zur Verbindung mit einer Kurbelwelle, mit einem kleinen Auge zur Verbindung mit einem Kolben und mit einem das große Auge mit dem kleinen Auge verbindenden Pleuelschaft, wobei das Pleuel im Bereich des großen Auges zur Verbindung mit der Kurbelwelle in zwei Pleuelteile geteilt ist, welche mittels wenigstens eines Verbindungselementes miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pleuelteile (4, 5) im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange (6) voneinander getrennt sind, und daß das wenigstens eine Verbindungselement (7) im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange (6) angeordnet ist.

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Pleuelteile (5) im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist und das andere Pleuelteil (4) an dessen Außenkontur umschließt.

3. Pleuel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das umschlossene Pleuelteil (4) das kleine Auge (3) aufweist.

4. Pleuel nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (7) durch eine im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Pleuelstange (6) verlaufende Bohrung (14) in dem ersten Pleuelteil (4) und dem zweiten Pleuelteil (5) durchgeführt ist.

5. Pleuel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (7) als eine durch die Bohrung (14) verlaufende Schraube (12) mit einer daran angebrachten Mutter (13) ausgebildet ist.

6. Pleuel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer Verdrehsicherung zwischen den beiden Pleuelteilen (4, 5) zusätzlich zu dem ersten Verbindungselement (7) wenigstens ein weiteres Verbindungselement (10) vorgesehen ist.

7. Pleuel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pleuelteile (4, 5) miteinander verklebt sind.

8. Pleuel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff in eine Matrix (15) aus Kunstharz eingebettete Fasern (16, 17) aus einem Kohlenstoffwerkstoff aufweist.

9. Pleuel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Teil der Fasern (16) entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile (4, 5) verläuft.

10. Pleuel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Fasern (17) in einem Winkel von vorzugsweise 45° um die entlang der Außenkontur der beiden Pleuelteile (4, 5) verlaufenden Fasern (16) verläuft.

11. Pleuel nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (16, 17) in Faserschläuche (18) eingebettet sind.

12. Pleuel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des großen Auges (2) und/oder innerhalb des kleinen Auges (3) Lagerschalen (20, 21) angeordnet sind, welche an ihrem Innenumfang ein Blech und an ihrer dem Pleuel (1) zugewandten Seite einen Filz aufweisen.