DE3204093C2 - Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Um bei einem Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine mit zwei zylindrischen Lagerbuchsen, einem zwischen diesen angeordneten Druckstempel sowie einer den Druckstempel und die Lagerbuchsen umgebenden Bandage die Ablösungserscheinungen zwischen Bandage, Lagerbuchsen und Druckstempel zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß Bandage und Druckstempel derart gegeneinander vorgespannt sind, daß die Dehnung der Bandage infolge der Zugvorspannung mindestens so groß ist wie die infolge der Zündkräfte auftretende Druckstempelstauchung, und daß die infolge der Druckvorspannung auftretende Druckstempelstauchung mindestens so groß ist wie die infolge der Massenkräfte auftretende Dehnung der Bandage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine, insbesondere einen Otto- oder Dieselmotor, mit zwei zylindrischen Lagerbuchsen, einem zwischen diesen angeordneten Druckstempel sowie einer den Druckstempel und die Lagerbuchsen umgebenden Bandage.

Aufgabe des Pleuels ist die Übertragung der Gas- und Massenkräfte von Kolbenbolzen auf die Kurbelwelle. Dabei führt das Pleuel eine rotierende und oszillierende Bewegung aus, wodurch Massenkräfte entstehen. Zur Verringerung der Massenkräfte des Pleuels, der zum Ausgleich erforderlichen Gegengewichte an der Kurbelwelle und der hervorgerufenen dynamischen Belastungen soll die Masse des Pleuels möglichst gering sein.

Herkörnmücherweise bestehen Pleuel für Brennkraftkolbenmaschinen aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Stahl.

Um sie auf der Kurbelwelle zu montieren, sind sie üblicherweise am großen Lagerauge geteilt und mit zwei Schrauben zusammengehalten. Es werden auch einteilige Pleuel aus metallischen Werkstoffen in Sonderfällen bei teilbaren Kurbelwellen verwendet.

Durch die Einführung von Faserverbundwerkstoffen im Triebwerksbau konnte auch bei den Pleueln eine deutliche Massenreduzierung erreicht werden. Mit einem einteiligen Pleuel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff wurde gegenüber der konventionellen Stahlversion eine Massenersparnis von 50% erzielt; durch die dabei angewandte Fertigungstechnologie, nämlich das Umwickeln des auf die Kurbelwelle aufgesetzten Druckstempels mit einer Bandage, ist es auch möglich, ein einteiliges Pleuel bei nicht teilbaren Kurbelwellen zu verwenden (MBB, Anwendungen von Faserverbundwerkstoffen, Ausstellung auf der Hannover-Messe 1981; Zeitschrift Technik mot 16/1980, Seite 69—Der Kunststoff motor—).

Bei diesen Pleueln aus Faserverbundwerkstoff werden Bandage und Druckstempel durch Verkleben miteinander verbunden. Durch unterschiedliche Dehnungen von Bandage und Druckstempel bei Belastung entstehen hohe Schubspannungen in der Klebeschicht, und es kann zum Versagen der Klebung kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Pleuel dieser Art derart zu verbessern, daß die Verbindungsflächen zwischen Bandage einerseits und Druckstempel andererseits nicht durch Schub- und Querzugkräfte belastet werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Pleuel der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Bandage und Druckstempel derart gegeneinander vorgespannt sind, daß die Dehnung der Bandage infolge der Zugvorspannung mindestens so groß ist wie die infolge der Zündkraft auftretende Druckstempelstauchung, und daß die infolge der Druckvorspannung auftretende Druckstempelstauchung mindestens so groß ist wie die infolge der Massenkräfte auftretende Dehnung der Bandage, so daß die Bandage immer im Zugbereich und der Druckstempel immer im Druckbereich belastet werden.

Durch diese erfindungsgemäße Konstruktion läßt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ohne Schwierigkeiten lösen. Außerdem werden bei diesem Aufbau Querzugbelastungen zwischen den Pleuelaugen und dem Druckstempel bzw. der Bandage vermieden.

Infolge der erfindungsgemäßen Verspannung von Druckstempel und Bandage ist es möglich diese Teile aus verschiedenen Werkstoffen herzustellen, wobei die Werkstoffe der jeweiligen Beanspruchung entsprechend optimal ausgewählt werden können. Beispielsweise können Materialien verwendet werden, die aufgrund höherer spezifischer Festigkeits- und Steifigkeitswerte gegenüber Stahlpleueln eine Massenersparnis von bis zu 60% erbringen. Wichtig ist dabei, daß die Auswahl der verwendeten Werkstoffe nicht durch Verbindungskriterien beschränkt wird, da Bandage einerseits und Druckstempel andererseits nicht miteinander verbunden werden. Dadurch können auch Werkstoffe eingesetzt werden, deren Verwendung sich bei anderen Konstruktionen aufgrund des Fertigungsprozesses (Druck. Temperatur) verbieten würde.

Günstig ist es, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Druckstempels größer ist als der der Bandage, so daß bei einer Erwärmung des Pleuels sich die Bandage nicht stärker ausdehnt als der Druckstempel, welches zur Folge hätte, daß die Verspannung von Druckstempel und Bandage verringert werden würde.

Der Druckstempel kann beispielsweise aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium, aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Titan, aus kohlefaser- oder boriaserveistärktem Kunststoff, aus kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas, oder aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, bestehen.
Vorteilhafte Materialien für die Bandage sind borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktes Aluminium, kohlefaser- oder borfaserverstärkter Kunststoff, oder kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktes Glas.

Zur Vermeidung der Ovalisierung der Pleuelaugen können Lagerbuchsen verwendet werden, deren tragende Struktur aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium, aus kohlefaser- oder borfaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas besteht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß Druckstempel und Lagerbuchsen von zwei gleichlangen Bandagen umgeben sind, daß die obere Schlaufe jeder Bandage gegenüber der unteren um 180° verdreht ist, daß die Verdrehung der beiden Bandagen

gegensinnig ist und daß die beiden Bandagen auf gegenüberliegenden Seiten des Druckstempels angeordnet sind. Da sich diese Bandagen im Bereich zwischen den Lagerbuchsen überkreuzen, kann man mit dieser Konstruktion Pleuel herstellen, die im Bereich zw ischen den Lagerbuchsen schlanker gebaut sind als im Bereich der Lagerbuchsen selbst und somit in ihrer Ausgestaltung der Formgebung herkömmlicher Pleuel aus Stahl entsprechen.

Dadurch, daß die beiden Bandagen gegensinnig verdreht sind, wird vermieden, daß sich die Gesamtstruktur beim Auftreten von Zugspannungen aufdreht

Vorteilhaft ist es, wenn der Druckstempel aus mindestens zwei Teilen besteht, von denen eines gegen Druckkräfte, die parallel zur Verbindungslinie der Lagerbuchsen gerichtet sind, widerstandsfähig ist, während das andere Teil gegen quer dazu verlaufende Druck- und Zugkräfte widerstandsfähig ist Die erhöhte Widerstandsfähigkeit in bestimmten Richtungen läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß in den aus Fascrverbundwerkstoffen hergestellten Teilen die Fasern parallel zu den Kraftrichtungen verlaufen. Bei einer solchen Konstruktion nehmen die in Längsrichtung des Pleuels widerstandsfähigen Teile die Druckkräfte zwischen den Lagerbuchsen auf, während die quer dazu widerstandsfähigen Teile verhindern, daß sich der Druckstempel bei Stauchung quer zur Stauchungsrichtung aufweitet

Besonders günstig ist es, wenn der Druckstempel oder Teile des Druckstempels stranggezogene Profile sind, deren Außenflächen gegebenenfalls nachbearbeitet sind Dadurch läßt sich eine preisgünstige Großserienfertigung durchführen.

Wenn der Druckstempel aus Keramik besteht, ist es vorteilhaft, wenn der Druckstempel angrenzend an jede Lagerbuchse eine komplementär zur Lagerbuchsenaußenkontur geformte Stützfläche aufweist und wenn im Zwickel zwischen Lagerbuchse und Bandage ein Füllkörper eingelegt ist, der sich in dem Druckstempel flächig abstützt Dadurch wird verhindert, daß im Anlagebereich des Keramikdruckstempels an der Lagerbuchse im Druckstempel Zugspannungen in Querrichtung auftreten, denen ein Keramikstempel nur begrenzten Widerstand entgegenbringen kann.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.

Es zeigt

F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels;

Fig.2 eine Schnittansicht längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig.3 einen Querschnitt durch den Druckstempel eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels;

F i g. 4 eine Ansicht ähnlich F i g. 3 eines abgewandelten Druckstempels;

Fig.5 eine Ansicht ähnlich Fig.3 eines mehrteilig aufgebauten Druckstempels;

Fig.6 eine Ansicht ähnlich Fig.3 eines weiteren mehrteilig aufgebauten Druckstempels;

F i g. 7 eine Seitenansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels eines Pleuels mit einem Druckstempel aus Keramik;

F i g. 8 eine Schnittansicht längs Linie 8-8 und

Fig.9 eine Explosionsdarstellung der Teile eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Pleuels.

Das in F i g. 1 dargestellte Pleuel umfaßt zwei zylindrische Lagerbuchsen 1 und 2, zwischen den ein Druckstempei 3 angeordnet ist Dieser weist einen Mittelsteg 4 sowie drei quer dazu verlaufende Stege 5,6 und 7 auf, wie aus F i g. 2 deutlich wird. Die Stege 5,6 und 7 verlaufen dabei parallel zueinander. Der Druckstempel liegt mit je einer der Außenkontur der Lagerbuchsen 1 und 2 angepaßten Abstützfläche 8 bzw. 9 an den Lagerbuchsen an.

Der Druckstempel und die beiden Lagerbuchsen 1

und 2 werden von einer Bandage 10 umgeben, die außen um die beiden Lagerbuchsen 1 und 2 herumgeführt ist und sich entlang der beiden Lagerbuchsen gemeinsamen Tangente erstreckt Der Druckstempel 3 ist mit seiner Außenkontur derart geformt, daß er über seine gesamte Länge an der Innenseite des geradlinigen Bandagenbereiches anliegt

Die aus Druckstempel, Lagerbuchsen und Bandage bestehende Einheit wird von einer Kapsel 11 umfangen. Der Druckstempel 3 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher Druckfestigkeit und hoher Drucksteifigkeit, insbesondere aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium, aus borfaser- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas. Da der Druckstempel primär durch Druckkräfte belastet wird, sind die Fasern vorwiegend parallel zur Pleuellängsachse angeordnet Im Mittelsteg 4 können auch senkrecht dazu %erlaufende Fasern eingebettet sein, die ein Aufspalten des Druckstempels quer zur Beanspruchungsrichtung vermeiden.

Die Bandage besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher spezifischer Zugfestigkeit und Zugsteifigkeit, insbesondere aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium, aus kohlefaser- oder borfaserverstärktem Kunststoff, oder aus kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas. Die Fasern sind in Umfangsrichtung der Bandage angeordnet und ergeben somit optimale Festigkeits- und Steifigkeitswerte.

Zumindest die tragende Struktur der Lagerbuchsen 1 und 2 besteht aus einem Faserverbundwerkstoff mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit Vorzugsweise werden dieselben Werkstoffe verwendet wie für die Bandage. Die Fasern sind teils in axialer Richtung, teils in Umfangsrichmng der Lagerbuchsen angeordnet Die in Umfangsrichtung orientierten Fasern nehmen vorwiegend die Kräfte auf, die durch die gegenseitige Verspannung von Druckstempel und Bandage entstehen, während man durch die axial eingelagerten Fasern eine ausreichende Biegesteifigkeit in Kolbenbolzenlängsachse bzw. Kurbelzapfenlängsachse erzielt Die so Gleitlagerflächen der Lagerbuchsen können aus galvanisch aufgebrachten Gleitschichten, insbesondere bei Lagerbuchsen aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium, oder aus zylindrischen Gleitlagerbuchsen gebildet werden, letzteres insbesondere bei Lagerbuchsen aus kohlefaser- oder borfaserverstärktem Kunststoff und kohlefaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Glas.

Die Breite der Lagerbuchsen 1 und 2 ist etwas größer gewählt als die Breite der Bandage 10 bzw. des Druckstempeis 3 und der Kapsel U, so daß der Bund der Lagerbuchsen als Anlauffläche zur seitlichen Führung des Pleuels auf der Kurbelwelle bzw. im Kolben ausgebildet werden kann.

Die Kapsel 11 hat die Aufgabe, quer zur Pleuellängsachse auftretende Belastungen aufzunehmen und die Oberfläche von Druckstempel und Bandage vor agressivem Motorenöl zu schützen. Die Kapsel 11 besteht vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff,

insbesondere aus siliziumkarbidverstärktem Aluminium oder kohlefaserverstärktem Kunststoff. Die Anordnung der Fasern erfolgt vorwiegend quer zur Pleuellängsachse und ist auf dem Bereich zwischen den Lagerbuchsen begrenzt Bei der Herstellung des dargestellten Pleuels werden alls Bauelemente des Pleuels (Lagerbuchsen, Druckstempel, Bandage, Kapsel) getrennt hergestellt, wobei jeweils wirtschaftliche Fertigungsverfahren angewendet werden können, die dem Material des Bauteiles und der Form desselben angepaßt werden können. So ist beispielsweise die Herstellung des Druckstempels im Preß- oder Strangziehverfahren möglich, Bandage und Lagerbuchsen können im Wickelverfahren gefertigt werden. Diese Einzelteile werden anschließend zum Pleuel zusammengesetzt, indem der Druck- is stempel in die über zwei Bolzen aufgeweitete Bandage samt den Lagerbuchsen eingepreßt wird. Die Aufweitung bzw. die Maße von Bandage, Lagerbuchsen und Druckstempel, sind dabei so gewählt, daß die sich ergebende Verspannung von Druckstempel und Bandage größer ist als die Verformungen infolge Zug- oder Druckbelastung. Bestehen die Einzelteile aus miteinander verklebbaren Materialien, z. B. aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, können sie während der Montage zusätzlich verklebt werden. Sind sie aus borfaserverstärktem Aluminium gefertigt, kann eine zusätzliche Verbindung durch einen nachgeschalteten Lötprozeß erzielt werden.

Schließlich werden die beiden vorgefertigten Hälften der Kapsel 11 über das Pleuel geschoben und mit diesem verbunden, beispielsweise durch Kleben (insbesondere bei kohlefaserverstärktem Kunststoff) oder durch Löten (insbesondere bei borfaserverstärktem Aluminium). In einem abschließenden Arbeitsgang erfolgt die Bearbeitung der Gleitlagerflächen der Lagerbuchsen.

Da die Herstellung des Druckstempels getrennt von den übrigen Pleuelbauteilen erfolgt, können beliebige, den jeweiligen Anforderungen optimal entsprechende Druck-rtempelprofile verwendet werden. In den F i g. 3 bis 6 sind derartige Druckstempelprofile dargestellt, denen gemeinsam ist, daß sie aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere borfaserverstärktem Aluminium oder kohlfaserverstärktem Kunststoff, bestehen und in großserienspezifischen Herstellungsverfahren gefertigt werden können.

Fig.3 zeigt einen Druckstempel mit H-förmigem Querschnitt, der im Strangziehverfahren hergestellt werden kann.

F i g. 4 zeigt einen sinusförmigen Querschnitt, dessen Fertigung sowohl im Strangziehverfahren als auch im Preßverfahren erfolgen kann.

F i g. 5 stellt einen Druckstempel dar, der aus zwei getrennt gefertigten Profilen zusammengesetzt ist Während die Fasern in den sinusförmigen Profilen 12 in Pleuellängsrichtung verlaufen, sind die Fasern des zentralen Profils 13 mit rechteckigem Querschnitt vorwiegend senkrecht dazu angeordnet Diese Fasern haben die Aufgabe, ein Aufspalten des Druckstempels quer zur Belastungsrichtung zu verhindern.

In F i g. 6 ist ein Druckstempel dargestellt, der aus jeweils zwei symmetrisch zusammengesetzten Elementen 14, 15 aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium besteht Die Druckkräfte, die durch den Zünddruck und die erforderliche Vorspannung des Druckstempels entstehen, werden primär vom Element 14 aufgenommen. In ihm sind die Fasern vorwiegend zur Pleuellängsachse ausgerichtet Es wird im Strangziehverfahren hergestellt und muß lediglich an seinen Auflageflächen an den Lagerbuchsen bearbeitet werden. Das Element 15 hat im wesentlichen die Aufgabe, ein Aufspalten des Druckstempels quer zur Belastungsrichtung zu verhindern. Aus diesem Grunde sind die Fasern im Element 15 vorwiegend quer zur Pleuellängsachse angeordnet Das Teil 15 kann somit die in F i g. 1 dargestellte Kapsel 11 ersetzen.

Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, daß eine Bearbeitung des Druckstempels nur noch an seinen Auflageflächen an den Lagerbuchsen erforderlich ist und daß durch Wegfall der Kapsel eine gute Inspektionsmöglichkeit gegeben ist

In den F i g. 7 und 8 ist ein Pleuel mit einem Druckstempel aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere Siliziumnitrid (S13N4) oder Siliziumkarbid (SiC) dargestellt Die Bandage und die beiden Lagerbuchsen bestehen aus borfaser- oder siliziumkarbidfaserverstärktem Aluminium. Da keramische Werkstoffe extrem empfindlich reagieren, sind die Abstützflächen 8 und 9 der Lagerbuchsen auf dem Druckstempel so ausgebildet, daß die Belastungen im Druckstempel möglichst gering sind. Dies erfolgt insbesondere dadurch, daß die Kanten des Druckstempels abgerundet sind und die sich ergebenden Hohlräume mit Aluminiumfüllelementen 16, 17 ausgefüllt sind. Diese Füllelemente sind mit den Lagerbuchsen und/oder der Bandage verlötet

F i g. 9 stellt eine Explosionszeichnung eines Pleuels dar, das ebenso wie die obenbeschriebenen Pleuel aus zwei Lagerbuchsen 1, 2 und einem Druckstempel 3 besteht Im Gegensatz zu den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen werden diese Teile von zwei Bandagen 10a und 106 umgeben, wobei die oberen Schlaufen jeder Bandage gegenüber der unteren Schlaufe um 180° verdreht sind. Die Verdrehung erfolgt dabei bei den beiden Bandagen 10a und 10ft in entgegengesetztem Sinn. Durch diese Verdrehung ergibt sich bei den beiden Bandagen im mittleren Bereich eine Einschnürung, so daß auch der Druckstempel im mittleren Bereich entsprechend schlank ausgebildet werden kann. Man erhält auf diese Weise einen Pleuel, dessen Gesamtform der herkömmlicher Stahlpleuel relativ nahekommt.

Wesentlich ist bei dieser Konstruktion, daß die gegensinnig verdrehten Bandagen von beiden Seiten her die Lagerbuchsen und den Druckstempel umgeben, so daß trotz der Verdrehung der Bandagen Druck- und Zugkräfte keine Verdrehung der verspannten Einheit hervorrufen können, d.h. Rückdrehmomente treten nicht auf.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Pleuel für eine Brennkraftkolbenmaschine, insbesondere einen Otto- oder Dieselmotor, mit zwei zylindrischen Lagerbuchsen, einem zwischen diesen angeordneten Druckstempel sowie einer den Druckstempel und die Lagerbuchsen umgebenden Bandage, dadurch gekennzeichnet,daß die Bandage (10; 10a, 106) und der Druckstempel (3) derart gegeneinander vorgespannt sind, daß die Dehnung der Bandage (10; 10a, 106) infolge der Zugvorspannung mindestens so groß ist wie die infolge der Zündkräfte auftretende Druckstempelstauchung und daß die infolge der Druckvorspannung auftretende Druckstempelstauchung mindestens so groß ist wie die infolge der Massenkräfte auftretende Dehnung der Bandage (10; 10a, Wb).

2. Pleuel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials für den Druckstempel (3) nicht kleiner als der des Materials für die Bandage (10; 10a, 106) ist