DE10325190A1

DE10325190A1 - Verbindungsglied

Info

Publication number: DE10325190A1
Application number: DE2003125190
Authority: DE
Inventors: Stephane Jambu; Alois Dr.-Ing. Schmid; Achim Dipl.-Ing. Schoberth; Frank Dipl.-Ing. Strachauer; Karl-Heinz Süss
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsglied, insbesondere ein Pleuel, bei welchem die Pleuelstange dadurch ausgebildet wird, dass ein Zwischenelement (4) zwischen Aufnahmehülsen (2, 3) mittels eines Halteelements, insbesondere in der Form eines Zuggurtes (6), zusammengehalten wird, wobei das Zwischenelement (4) aus einem kompressiblen oder schrumpffähigen Material hergestellt ist, sodass nach Zusammenbau der Zuggurt (6) eine ausreichend hohe Druckspannung ausüben kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbindungsglieds.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungsglied nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zu dessen Herstellung und die Verwendung eines solchen Verbindungsglieds als Pleuel.

Beispielsweise auf dem Gebiet der Motoren- und Antriebstechnik ist es hinlänglich bekannt, sogenannte geteilte, das heißt mehrteilige Pleuel bzw. Pleuelstangen zu verwenden. Diese sind jedoch durch den Nachteil gekennzeichnet, dass eine Fügefläche zwischen der Pleuelstange und einem Pleuelstangendeckel mechanisch gefertigt oder durch Bruchtrennen (d.h. einen sogenannten Crack-Prozess) hergestellt werden muss. Darüber hinaus geht mit der Verschraubung zwischen Pleuelstangendeckel und Pleuelstange eine Erhöhung des Bauteilgesamtgewichts einher, was prinzipiell im Fahrzeugbereich unerwünscht ist. Bedingt durch den konstruktiven Aufbau ist bei geteilten Pleuelstangen die Flexibilität hinsichtlich der Werkstoffauswahl und -verwendung eher gering.

Im Stand der Technik wurde deshalb bereits der Einsatz von sogenannten ungeteilten, „gebauten" Pleueln vorgeschlagen. Ungeteilte Pleuel zeichnen sich durch den Vorteil eines niedrigeren Bauteilgesamtgewichtes und einer höheren Werkstoffflexibilität aus.

Aus der DE 3928855 ist beispielsweise eine Zug-Druck-Strebe bekannt, welche aus einem faserverstärkten Kunststoff in ei nem Spritzgussverfahren hergestellt wird, wobei zwei einander gegenüberliegende Aufnahmehülsen bzw. Pleuelaugen bei der Herstellung umspritzt werden. Zwischen den Pleuelaugen sind zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Streben angeordnet, wobei zwischen den beiden Streben eine Querstrebe vorgesehen ist. Eine derartige Zug-Druck-Strebe weist zwar ein geringes Bauteilgewicht auf, jedoch ist der dort gezeigte Aufbau mangels ausreichender Verstärkung nicht in der Lage, eine ausreichende Zug- und Druckfestigkeit sowie Biegesteifigkeit, wie sie für den Einsatz als beispielsweise Pleuel gefordert werden, zu bieten.

Ein ungeteiltes Pleuel, welches eine höhere Steifigkeit bietet, ist beispielsweise aus der EP 0283974 A2 bekannt. In dem dort gezeigten Verbindungsglied wird zwischen den beiden Aufnahmehülsen ein Kern vorgesehen, der aus Gründen der Gewichtseinsparung aus einer Faserstruktur hergestellt wird. Die Faserstruktur ist jedoch nicht in der Lage, ausreichende Druckkräfte zwischen den beiden Aufnahmehülsen aufzunehmen, sodass dort eine Umhüllung um den faserartigen Kern vorgesehen ist, der eine ausreichende Steifigkeit aufweist für eine Druckkraft- und Zugkraftaufnahme. Das so ausgestaltete Verbindungsglied ist bedingt durch seinen sehr komplizierten Aufbau in seiner Herstellung insgesamt sehr aufwändig und damit kostenintensiv.

Aus der DE 3844746 A1 ist eine Pleuelstange bekannt, die als Verbundkörper ausgebaut ist. Hierbei ist zwischen den beiden Pleuelaugen eine mehrteilige Pleuelstange bzw. ein Druckkörper vorgesehen, der einerseits aus einem hohlen Hülsen- bzw. Ringkörper besteht und andererseits zwischen diesem Ringkörper und den beiden Pleuelaugen mehrere Stützmittel bzw. Klemmkörper angeordnet hat. Diese Klemmkörper bestehen aus einem drucksteifen, harten Werkstoff, während sowohl die Pleuelaugen als auch der zwischen diesen mittig angeordnete Hülsenkörper aus einem plastisch aufgeweiteten Material bestehen. Die Gesamtanordnung wird durch einen außen liegenden Zuggurt zusammengehalten, der eine höhere Streckgrenze als das aufweitbare Material der Pleuelaugen und des ringförmigen Hülsenkörpers aufweist. Aufgrund des plastischen Aufweitungseffekts wird über die anschließende Verformung der Stützmittel bzw. Klemmkörper während des Zusammenbaus eine Stützwirkung erzielt, wobei der außen liegende Zuggurt eine gleichmäßige Zugvorspannung ausübt und die inneren Pleuelaugen und der innere Hülsenkörper unter einer bestimmten Druckvorspannung stehen. Auf diese Weise wird die gewünschte Formstabilität des Verbindungsglieds bzw. Pleuels erreicht. Jedoch ist aufgrund des mittig angeordneten Hülsenkörpers die Druckfestigkeit, wie sie für eine dynamische Druckkraftübertragung zwischen den beiden Pleuelaugen gefordert wird, herabgesetzt. Darüber hinaus sind für den Aufbau einer solchen Pleuelstange mehrere Stütz- bzw. Klemmkörper zu fertigen und bei der Endmontage, das heißt vor dem Anbringen des außen liegenden Zuggurtes, entsprechend anzuordnen, was den Herstellungsprozess eines solchen Verbindungsgliedes aufwändig gestaltet.

Ausgehend von den vorhergehend aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbindungsglied weiterzubilden, welches eine leichte Bauweise bei gleichzeitig ausreichend hoher Druckfestigkeit und Steifigkeit aufweist einerseits und welches äußerst einfach und kostenoptimiert herzustellen ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbindungsgliedes zu bewerkstelligen.

Gelöst werden diese Aufgaben zum einen mit einem Verbindungsglied gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und zum anderen mit einem Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist darin zu sehen, dass das Zwischenelement, welcher bei dynamischer Kraftübertragung in einem Pleuel hauptsächlich als Druckkörper wirkt, zwischen den Aufnahmehülsen einerseits einstückig ausgebildet ist und andererseits aus einem kompressiblen oder schrumpffähigen Material hergestellt- ist. Aufgrund der Tatsache, dass das Material zusammengedrückt bzw. gestaucht werden kann, kann während der Bauteilendmontage das Halteelement, vorzugsweise in der Form eines Zuggurts über die beiden Pleuelaugen bzw. Aufnahmehülsen und den gestauchten bzw. geschrumpften Druckkörper übergestreift werden, sodass das Halteelement dann im zusammengebauten Zustand auf diese Elemente eine ausreichend hohe Druckspannung ausübt.

Aus Gründen der Gewichtseinsparung ist der einstückige Druckkörper vorzugsweise aus einem partikel- oder faserverstärkten Leichtbaumaterial hergestellt, welches sich durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte auszeichnet.

Vorzugsweise kommt gemäß der Erfindung für den Druckkörper als partikelverstärktes Material Al/SiC-MMC oder Mg/SiC-MMC zum Einsatz. Diese Materialien weisen eine elastische Dehngrenze in der Größenordnung von 0,3 % auf, welches bei einer Pleuellänge von ca. 100 mm eine Stauchung von max. 0,3 mm bedeutet, was ausreicht, um den Zuggurt über den Druckkörper und die Aufnahmehülsen unter Aufbau der ausreichenden Druckspannung zu legen.

Bei einem derartigen Aufbau dient der Zuggurt einer doppelten Funktion. Einerseits muss die Zugvorspannung des Zuggurtes so hoch sein, dass bei einer Druckbelastung des Pleuels (bei einem PKW in der Größenordnung von ca. 50kN) der Zuggurt nicht schlaff wird und andererseits bei einer Zugbelastung des Pleuels (bei einem PKW in der Größenordnung von ca. 15kN) die Pleuelaugen und der Druckkörper in Kontakt bleiben.

Gemäß der Erfindung kann der Zuggurt aus einem ausgewalzten, das heißt kalt- oder warmverformten Stahlband, beispielsweise aus dem faserverstärkten Material Al/Al₂O₃-MMC, oder aus einem endlos gelegten, unidirektionalen Kohlenstofffaserbündel oder -band hergestellt werden. Beide Materialien bieten eine ausreichend hohe Zugfestigkeit (Stahl bis zu ca. 3.000 MPa; Kohlenstofffasern bis zu 6.500 MPa). Zur Ausbildung des Halteelementes werden die freien Enden eines linear gewalzten Stahlbandes dann in entsprechender Weise miteinander verschweißt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der Erfindung kann der Zuggurt aus Kohlenstofffasern zusätzlich mit einem Harz (CFK) oder mit Magnesium (Mg/C-MMC) infiltriert werden.

Prinzipiell sind der Materialauswahl keine Grenzen gesetzt, vielmehr erfolgt diese sowohl für den Druckkörper als auch für den Zuggurt in Abhängigkeit der vorherrschenden Belastungszustände bedarfsgerecht. Vorteilhafte Materialkombinationen umfassen beispielsweise Ausführungsformen, in denen zum einen der Druckkörper und der Zuggurt aus dem Material Mg/C-MMC oder zum anderen der Druckkörper aus dem Material Al/SiC-MMC oder Mg/SiC-MMC und der Zuggurt aus CFK oder Stahl hergestellt sind. Grundsätzlich ist neben SiC auch der Einsatz von anderen Keramiken, wie beispielsweise Al₂O3, B₄C, TiC, TiB, TiB₂ oder dergleichen möglich. Für die Fasern ist als Werkstoff Kohlenstoff, Al₂O₃ oder SiC denkbar.

Es wird deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines solchen Verbindungsglieds, insbesondere in der Verwendung als ein Pleuel, eine erhebliche Gewichtsreduzierung bewerkstelligt wird. So ist bei gleichbleibender Motor- bzw. Zylinderleistung eine Gewichtseinsparung gegenüber einem herkömmlichen Pleuel je nach Materialauswahl und -kombination von bis zu 35 % erzielbar. Damit einhergehend erhöht sich die Laufruhe, da die Gewichtsreduzierung hier oszillierende Massen im Motor (Pleuel) betrifft. Selbstredend geht mit einer solchen Gewichtsreduzierung eine entsprechende Verbrauchsreduktion einher. Aufgrund der Verwendung eines Zug gurts für den Zusammenhalt des Pleuels entfällt die Notwendigkeit einer Verschraubung, womit einerseits der Montageaufwand verringert wird und andererseits Spannungsspitzen, die in der Regel in dem Verschraubungsbereich bei herkömmlichen Pleueln vorherrschen, vermieden werden.

Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbindungsglieds bzw. Pleuels gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass für den Schritt des Aufziehens bzw. Aufwickelns eines Zuggurts um die Aufnahmehülsen und den Druckkörper herum der Druckkörper zu diesem Zweck elastisch komprimiert wird.

Dies kann gemäß der Erfindung entweder unter Krafteinwirkung erfolgen oder aber durch thermisches Schrumpfen des Druckkörpers erreicht werden.

Aufgrund der Tatsache, dass der Druckkörper nur während des Zusammenbaus des Verbindungsglieds eine gewisse, vorbestimmte Komprimierung erfährt, wird es dem Zuggurt im Nachfolgenden ermöglicht, die ausreichend hohe Druckkraft, die für den Einsatz eines Pleuels gefordert wird, auf den Druckkörper auszuüben.

Hierbei ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Zuggurt, wenn er als Stahlband oder CFK-Band ausgebildet ist, als Ganzes aufgezogen wird. Es ist jedoch auch möglich, dass der Zuggurt aus einzelnen C-Faserbündeln oder -bändern aufgewickelt und zur Vervollständigung mit einem Harz oder Magnesium infiltriert wird, oder hochfester Stahldraht oder ein dünnes Stahlband aufgewickelt und das Ende geeignet fixiert wird.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es auch möglich, dass das Haltelement mittels geeigneter Mittel über Krafteinwirkung im elastischen Bereich gedehnt wird. Im aufgezogenen Zustand federt das elastisch gedehnte Halteelement teilweise zurück und baut da durch seine Zugspannung teilweise ab, indem Druckspannungen in das Zwischenelement und die Aufnahmehülsen eingeleitet werden. Alternativ kann das Halteelement jedoch auch erwärmt werden. Hierbei wird die Wärmeausdehnung des Werkstoffs des Haltelements genutzt, um ohne Zugspannung auf das Zwischenelement und die Aufnahmehülsen aufgezogen zu werden. Bei anschließender Abkühlung auf die Betriebstemperatur zieht sich das Halteelement zusammen und übt auf das Zwischenelement und die Aufnahmehülsen eine entsprechende Schrumpfspannung aus.

Konstruktionsbedingt kann es in einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch möglich sein, dass bei der Endmontage das Zwischenelement unter Kraft- oder Wärmeeinwirkung komprimiert und gleichzeitig das Haltelement und Kraft- und Wärmeeinwirkung gedehnt wird.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Verbindungsglieds und das erfindungsgemäße Verfahren zu dessen Herstellung sind nicht auf die Verwendung als Pleuel beschränkt, vielmehr ist ein derart gestaltetes Verbindungsglied auf Anwendungen übertragbar, bei welchen zwischen zwei beweglichen Bauteilen Kräfte bzw. Momente dynamisch übertragen werden müssen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Zeichnung beschrieben. Sie zeigt in der Figur ein erfindungsgemäßes Verbindungsglied in der Form einer Pleuelstange in perspektivischer Ansicht.
In der Figur ist ein Pleuel 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt, welches im Wesentlichen aus lediglich vier Komponenten besteht.
Ein erstes Pleuelauge bzw. eine erste Aufnahmehülse 2 mit einem kleineren Durchmesser zur Ankopplung an einen nicht gezeigten Kolben über einen Kolbenbolzen eines Motors liegt einem zweiten Pleuelauge bzw. einer zweiten Aufnahmehülse 3 mit einem größeren Durchmesser zur Ankopplung an eine nicht gezeigte Kurbelwelle eines Motors gegenüber.
Zwischen der ersten Aufnahmehülse 2 und der zweiten Aufnahmehülse 3 ist ein als Druckkörper 4' ausgestaltetes Zwischenelement 4 angeordnet. Der Druckkörper 4' weitet sich zwischen dem Durchmesser der ersten Aufnahmehülse 2 und dem Durchmesser der zweiten Aufnahmehülse 3 entsprechend auf und weist an den Verbindungsstellen zu den Aufnahmehülsen jeweils den Durchmessern entsprechende kreissegmentförmige Verbindungsflächen 5 auf. An den Enden der kreissegmentförmigen Verbindungsflächen 5 ist der Druckkörper 4' jeweils abgeschrägt oder in einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform abgerundet.
Der Druckkörper 4' ist einstückig aus einem leichten, jedoch hochfesten Partikel- oder Faserverbundwerkstoff hergestellt.
Um die Aufnahmehülsen 2 und 3 und den Druckkörper 4' ist ein Zuggurt 6 schlaufenartig herumgelegt und hält diese Komponenten zusammen.
Während des Zusammenbaus, das heißt während des Aufziehens oder Aufwickelns des Zuggurts 6, ist der Druckkörper 4' komprimiert, d.h. in seiner Längenausdehnung verkürzt, sodass der Zuggurt 6 in der Lage ist, im betriebsbereiten, fertig montierten Zustand auf die Aufnahmehülsen 2 und 3 und den Druckkörper 4' eine gleichbleibend hohe Druckspannung auszuüben.

Claims

Verbindungsglied, umfassend: eine erste Aufnahmehülse (2) zur Anbindung an ein erstes bewegliches Bauteil, eine dieser ersten Aufnahmehülse (2) gegenüberliegende zweite Aufnahmehülse (3) zur Anbindung an ein zweites bewegliches Bauteil, ein Zwischenelement (4) zur dynamischen Kraftübertragung zwischen der ersten und der zweiten Aufnahmehülse (2, 3) und einen die Aufnahmehülsen (2, 3) und das Zwischenelement (4) umgreifendes und diese verbindendes Halteelement (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) einstückig ausgebildet ist und aus einem kompressiblen oder schrumpffähigen Material hergestellt ist, und dass das Halteelement (6) die Aufnahmehülsen (2, 3) und das Zwischenelement (4) unter einer ausreichend hohen Druckspannung hält.
Verbindungsglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) aus einem partikel- oder faserverstärkten Leichtbaumaterial mit einer hohen Festigkeit und Steifigkeit und mit einer geringen Dichte hergestellt ist.
Verbindungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das partikelverstärkte Material des Zwischenelements (4) Al/SiC-MMC oder Mg/SiC-MMC ist.
Verbindungsglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das faserverstärkte Material des Zwischenelements (4) Mg/C-MMC oder Al/Al₂O₃-MMC ist.
Verbindungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) aus einem kalt- oder warmverformten Stahlband oder aus einem oder mehreren kalt- oder warmverformten gewickelten Stahldrähten hergestellt ist.
Verbindungsglied nach einem der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) aus Mg/C-MMC oder Al/Al₂O₃-MMC hergestellt ist.
Verbindungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt ist.
Verwendung eines Verbindungsglieds nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Pleuel.
Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsglieds nach den Ansprüchen 1 bis 7, bei welchem die Aufnahmehülsen (2, 3) und da Zwischenelement (4) zusammengebaut werden, indem das Halteelement (6) um die Aufnahmehülsen (2, 3) und das Zwischenelement (4) gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass hierfür das Zwischenelement (4) unter Kraft- oder Wärmeeinwirkung komprimiert wird und/oder das Haltelement (6) unter Kraft- oder Wärmeeinwirkung gedehnt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) einstückig ausgebildet ist und als Ganzes aufgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) elastisch gedehnt und im gedehnten Zustand aufgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) erwärmt und im erwärmten Zustand aufgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) nach dem Aufwickeln mit einem Material infiltriert wird.