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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Pleuel mit einem Kugelgelenk sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelgelenkverbindung.
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Stand der Technik
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Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen“ der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen“ auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuellänge bekannt.
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Aus der
DE 10 2005 055 199 A1 ist ein Pleuel bekannt, bei dem im kleinen Pleuelauge ein schwenkbarer Hebel eingesetzt ist, in dessen zentraler Öffnung ein Exzenter eingesetzt ist. Der Exzenter dient zur Aufnahme eines Kolbenbolzens. Der Hebel bildet mit dem Exzenter eine Welle-Nabe-Verbindung. Da die Verbindung im Betrieb des Pleuels hoch belastet wird, sind die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen der Verbindungspartner hoch. Die am oberen Pleuellagerauge gelagerten Stützstangen sind mit einem Kugelgelenk in Kugelkopfaufnahmen gelagert und dort mit Querbolzen verschraubt.
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Die
DE 10 2015 103 463 A1 beschreibt einen Pleuel mit einem Kugelgelenk, bei welchem der Kugelkopf an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme durch einen Sicherungsring gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert ist. Zur axialen Sicherung des Sicherungsringes weist die Kugelkopfaufnahme an ihrem offenen Ende einen Hinterschnitt auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Pleuel mit einem hochbelastbaren Kugelgelenk bereitzustellen, der einfach zu montieren und kostengünstig herstellbar ist.
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Weitere Aufgaben sind, eine Brennkraftmaschine mit einem Pleuel mit einem solchen Kugelgelenk und ein entsprechendes Herstellverfahren anzugeben.
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Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Es wird ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorgeschlagen. Die Exzenter-Verstelleinrichtung weist wenigstens einen Zylinder mit einem Kolben auf, der in einer Zylinderbohrung verschiebbar geführt und mittels eines Kugelgelenks mit einer Stützstange verbunden ist, wobei das Kugelgelenk einen an einer Stützstange angeordneten Kugelkopf umfasst, der in einer Kugelkopfaufnahme des Kolbens gelagert ist und der an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme durch Sicherungsmittel gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert ist.
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Erfindungsgemäß sind die Sicherungsmittel als eine oder mehrere Haltenasen ausgebildet, welche durch plastische Verformung eines Absatzes einer Kolbeninnenseite herstellbar vorgesehen sind. Die plastische Verformung des Absatzes kann gezielt erfolgen, so dass eine einfache und sichere formschlüssige Verbindung zwischen Kugelkopf und Kolben hergestellt werden kann. Vorteilhaft ist der Kugelkopf in der Kugelkopfaufnahme in alle Raumrichtungen verschwenkbar und gleichzeitig axial nur mit hoher Auszugskraft aus der Kugelkopfaufnahme herausziehbar. Es ist kein zusätzliches Bauteil wie beispielsweise ein Sicherungsring zur Sicherung der Kugelgelenkverbindung notwendig, welcher insbesondere bei einer Hochbelastung der Verbindung versagen kann.
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Der Absatz kann in einfacher und kostengünstiger Weise dadurch vorgesehen werden, dass gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung der Absatz der Kolbeninnenseite zwischen zwei zylindrischen Wandbereichen des Kolbens ausgebildet ist. Aufwendige Hinterschnitte zur Festlegung der Sicherungsmittel können damit entfallen.
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Vorzugsweise weist der Kolben einen ersten Wandbereich mit einem ersten Außendurchmesser und einen zweiten Wandbereich mit einem zweiten Außendurchmesser auf, wobei der erste Außendurchmesser kleiner als der zweite Außendurchmesser ausgebildet ist.
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Dabei weist der Kolben im zweiten Wandbereich vorzugsweise eine dünne Wandung auf, wobei die Wandung elastisch ausgebildet ist.
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Der Kolben kann so beispielsweise einen ersten Wandbereich mit einem kleineren Außendurchmesser als ein zweiter in Längsrichtung folgender Wandbereich aufweisen. Der erste Wandbereich weist demzufolge eine höhere negative Toleranz auf dem Außendurchmesser auf als der zweite Wandbereich, bei dem diese Toleranz viel niedriger ist, so dass das Spiel, wenn der Kolben in der Zylinderbohrung der Hydraulikkammer verschiebbar geführt wird, auch entsprechend niedriger ist. Auf diese Weise ist der Kolben gestuft ausgebildet. Dadurch kann dieser zweite Wandbereich beim Verschieben des Kolbens in der Zylinderbohrung eine Dichtfunktion übernehmen. Zweckmäßig kann dabei der zweite Wandbereich des Kolbens näher zum offenen Ende der Zylinderbohrung angeordnet sein. Der erste Wandbereich dagegen weist ein größeres Spiel auf, um auch bei einer eventuellen Verformung auf Grund der hydraulischen Last der Hydraulikkammer leicht in der Zylinderbohrung zu laufen und ein eventuelles Klemmen des Kolbens zu vermeiden. Der zweite Wandbereich des Kolbens kann vorteilhaft eine dünne Wandung aufweisen, so dass diese Wandung sich elastisch an eine verformte Kontur der Hydraulikkammer anpassen kann. Beispielsweise kann diese Wandung bei Verwendung eines metallischen Werkstoffs, wie es bei einer Exzenter-Verstelleinrichtung üblich ist, bei einer Wandstärke im Wandbereich von 0,2mm bis 0,3 mm liegen. Die dünne Wandung im zweiten Wandbereich des Kolbens ermöglicht so eine günstige Anpassung an die eventuell verformte Hydraulikkammer. Auf diese Weise kann die Dichtfunktion durch den zweiten Wandbereich auch bei verformter Kontur der Hydraulikkammer sichergestellt werden. Außerdem kann so der Kolben in der Zylinderbohrung besser geführt werden, so dass der Verschleiß an Kolben und/oder Zylinderwand der Hydraulikkammer reduziert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinderbohrung als Spaltdichtung ausgebildet. Ein genügend enger Spalt insbesondere zwischen dem zweiten Wandbereich des Kolbens und der Zylinderwand ermöglicht günstigerweise eine gute Dichtfunktion bei geringer Leckage an Hydraulikflüssigkeit. Gleichzeitig sind die Gleiteigenschaften des Kolbens günstig, so dass die Reibung und damit der Verschleiß an Kolben und Zylinderwand reduziert sind. Auf diese Weise kann ein zusätzliches Dichtelement, beispielsweise in Form eines üblichen O-Rings, eingespart werden, wodurch die Herstellung des Pleuels als auch die Wartung sich kostengünstiger gestalten lässt, da auch keine Dichtung verschleißen kann.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Pleuel vorgeschlagen. Da der Pleuel eine Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge aufweist, kann so eine variable Verdichtung beim Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.
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Ebenso wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kugelgelenkverbindung eines Pleuels einer Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung mit einer Exzenter-Verstelleinrichtung zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorgeschlagen.
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Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 einen bekannten Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung in Draufsicht;
- 2 den Pleuel aus 1 im Längsschnitt;
- 3 eine Stützstange eines erfindungsgemäßen Pleuels mit einem Kugelgelenk teilweise im Längsschnitt;
- 4 einen Kolben der Stützstange gemäß 3 vor der Verbindung mit der Stützstange und
- 5 die Stützstange gemäß 3 während der Verbindung mit dem Kolben gemäß 4 teilweise im Längsschnitt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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Die 1 und 2 zeigen einen bekannten Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung. Der Pleuel 1 weist eine Exzenter-Verstelleinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge 40 mit einem Exzenter 4 auf, welcher mit einem ein- oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkt. Dabei ist ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 mittels eines Umschaltventils 5 verstellbar. Die effektive Pleuelstangenlänge 40 ist dabei als Abstand der Mittelachse des Hublagerauges 41 von der Mittelachse der Bohrung des Exzenters 4 als Pleuellagerauge 42 des Pleuels 1 definiert.
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Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massen- und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte. Die Kolben 6, 7 sind mittels Stützstangen 8, 9 mit dem Exzenterhebel 3 wirkverbunden.
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Wie 2 zu entnehmen ist, welche einen Schnitt des Pleuels 1 zeigt, sind die Kolben 6, 7 jeweils in einer Zylinderbohrung 10, 11 eines Zylinders 12, 13 verschiebbar geführt. Die Zylinder 12, 13 können als separates Bauteil oder einteilig mit einem Pleuelkörper 14 des Pleuels 1 vorgesehen sein. Ebenso ist es grundsätzlich denkbar, den Pleuel 1 mit nur einem Zylinder vorzusehen und einen doppelwirkenden Kolben einzusetzen.
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Weiter sind nicht dargestellte Zuläufe zum Zuführen von Hydraulikflüssigkeit von dem Umschaltventil 5 in durch die Zylinderbohrungen 10, 11 gebildete Hydraulikkammern sowie nicht dargestellte Abläufe zum Abführen von Hydraulikflüssigkeit von den Hydraulikkammern zum Umschaltventil 5 vorgesehen.
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Die Bearbeitung des Pleuels 1 und insbesondere des Pleuelkörpers 14 ist aufwendig und damit kostenintensiv. Daher kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Verbindungen der Zuläufe und der Abläufe hauptsächlich über das Umschaltventil 5 erfolgen, welches zum Steuern des Hydraulikflüssigkeitsstroms vorgesehen ist. Ferner können Sperrventile 18, 19 vorgesehen sein, welche in das Umschaltventil integriert sind und welche jeweils einen Durchfluss von Hydraulikflüssigkeit in Richtung Zulauf freigeben oder sperren. Die Abläufe umgehen die Sperrventile 18, 19 im Umschaltventil 5 und können mit einer gedrosselten Bohrung versehen sein. Da die Zu- und Abläufe sowie eine Versorgungsleitung 20 von dem Umschaltventil 5 ausgehen, kann die Bearbeitung des Pleuelkörpers 14 wesentlich vereinfacht werden.
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Die Versorgungsleitung 20 verbindet das Umschaltventil 5 mit einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine, beispielsweise über das Hublagerauge 41. Wenn die Zu- und Abläufe jedoch über das Umschaltventil 5 erfolgen, wird die Hydraulikflüssigkeit grundsätzlich im Umschaltventil 5 durch entsprechende Verbindungen zwischen den beiden Zylindern 12, 13 verteilt, d.h. dass die Versorgungsleitung 20 im Wesentlichen nur dazu dient, überschüssige bzw. fehlende Hydraulikflüssigkeit aufgrund von Leckage bzw. aufgrund der unterschiedlichen Volumen der Zylinder 12, 13 aus dem Umschaltventil 5 abzuleiten oder in das Umschaltventil 5 nachzusaugen.
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Eine weitere Vereinfachung kann sich dadurch ergeben, dass die Zu- und Abläufe jeweils als eine einzige Leitung vorgesehen sind.
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Die Sperrventile 18, 19 können als Rückschlagventile, insbesondere Kugelrückschlagventile oder Kegelsitzventile vorgesehen sein.
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Liegen die Rückschlagventile 18, 19, wie in 2 angedeutet, quer zu den hohen Beschleunigungen im Pleuel 1, ist von Vorteil, dass keine Massenkräfte in Längsachse des Rückschlagventils 18, 19 auftreten, die ein ungewolltes Öffnen/Verschließen bewirken können.
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Das Umschaltventil 5 weist ein nicht beziffertes Abgriffselement auf, welches in einem Ventilgehäuse angeordnet und wahlweise in eine erste Schaltstellung oder eine zweite Schaltstellung verlagerbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung ein Zulauf des ersten Zylinders 12 über einen ersten Hydraulikanschluss des Umschaltventils 5 mit einem Versorgungsanschluss des Umschaltventils 5 und damit mit der Versorgungsleitung 20 des Pleuels 1 und in der zweiten Schaltstellung ein Zulauf des zweiten Zylinders 13 über einen zweiten Hydraulikanschluss des Umschaltventils 5 mit dem Versorgungsanschluss und damit mit der Versorgungsleitung 20 verbunden ist. In der ersten Schaltstellung S1 ist weiter der zweite Hydraulikanschluss verschlossen, während in der zweiten Schaltstellung S2 der erste Hydraulikanschluss verschlossen ist.
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Der Aufbau des beschriebenen Pleuels 1 ist nur beispielhaft dargestellt. So ist es beispielsweise möglich, das Umschaltventil 5 im Bereich eines mit dem Pleuelkörper 14 verbundenen Pleueldeckels 15 anzuordnen. Ferner können die beschriebenen Sperrventile 18, 19 in den Zuläufen vorgesehen sein. Auch die hydraulische Versorgung der Hydraulikkammern und die Ausgestaltung des Umschaltventils 5 selbst können von der beschriebenen Ausführung abweichen.
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Die Stützstangen 8, 9 sind jeweils mittels einer gleichartigen Kugelkopfverbindung mit den Kolben verbunden, so dass im nachfolgenden die Erfindung beispielhaft an der ersten Stützstange 8 beschrieben wird. Dabei ist in 3 eine Stützstange 8 eines erfindungsgemäßen Pleuels 1 mit einem Kugelgelenk 17 teilweise im Längsschnitt dargestellt und 4 zeigt einen Längsschnitt eines Kolbens 16 vor der gelenkigen Verbindung mit der Stützstange 8.
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Die Stützstange 8 weist das Kugelgelenk 17 auf, welches einen an der Stützstange 8 angeordneten Kugelkopf 21 umfasst, der in einer Kugelkopfaufnahme 22 des Kolbens 16 gelagert ist. Der Kugelkopf 21 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 22 durch Sicherungsmittel gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 22 gesichert.
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Die Kugelkopfaufnahme 22 weist ein gewölbtes Bodenteil 23 auf, welches in axialer Richtung in einen ersten zylindrischen Wandbereich 24 mit einer zylindrischen Innenwand 25 übergeht. Das Bodenteil 23 ist an die Außenkontur des Kugelkopfs 21 angepasst und kann auf dem der Kugelkopf 21 gleiten, um Verkippungen der Stützstange 8 zu ermöglichen. Die Kugelkopfaufnahme 22 weist im Bereich des Bodenteils 23 und des zylindrischen Wandbereichs 24 einen ersten Außendurchmesser D1 auf. Der Kugelkopf 21 weist an seinem im Bereich des Bodenteils 23 der Kugelkopfaufnahme 22 angeordneten Ende einen abgeflachten Bereich auf, so dass es tiefer in der Kugelkopfaufnahme 22 angeordnet werden kann.
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Wie insbesondere 4 zu entnehmen ist, geht der erste zylindrische Wandbereich 24 der Kugelkopfaufnahme 22 in einen zweiten zylindrischen Wandbereich 26 mit einem zweiten Außendurchmesser D2 und einer dünnen Wandung über. Der erste Außendurchmesser D1 ist dabei kleiner als der zweite Außendurchmesser D2 ausgebildet. Die beiden Wandbereiche 24, 26 ermöglichen eine funktionale Trennung zwischen Abdichtung und Gelenkverbindung.
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Aufgrund des größeren Außendurchmessers D2 ist das Spiel des Kolbens 16 zur Zylinderbohrung 10 geringer als im ersten Wandbereich 24 mit dem kleinen Außendurchmesser D1. Der zweite Wandbereich 26 dient als Dichtbereich. Die Abdichtung des Kolbens 16 ist somit als Spaltdichtung ausgeführt, so dass kein zusätzlich montiertes Dichtelement zur Abdichtung der Hydraulikkammer notwendig ist. Die dünne Wandung des zweiten Wandbereiches 26 ermöglicht zum einen eine relativ große Dichtlänge, zum anderen bietet die dünne Wandung eine optimale Anpassungsmöglichkeit des Kolbens 16 ohne negative Auswirkungen an die sich eventuell aufgrund der Belastungen verformende Hydraulikkammer, da die dünne Wandung bevorzugt elastisch ausgebildet sein kann, um sich einer eventuell verformten Kontur der Zylinderwandung leicht anpassen zu können. Der zweite Wandbereich 26 ist näher zu einem offenen Ende der Zylinderbohrung 10 angeordnet ist als der erste Wandbereich 24, da der zweite Wandbereich 26 die Abdichtfunktion gewährleistet.
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Aufgrund des kleineren Durchmesser D1 des ersten Wandbereiches 24 bzw. des größeren Spiels in diesem Bereich wird bei Verformung der Hydraulikkammer ein Verklemmen des Kolbens 16 in der Zylinderbohrung 10 verhindert.
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Weiter ergibt sich aufgrund der dünneren Wandung des zweiten Wandbereiches 26 im Vergleich zur zylindrischen Wandung des ersten Wandbereiches 24 auf einer Kolbeninnenseite zwischen der Innenwand 25 des ersten Wandbereiches 24 und einer Innenwand 27 des zweiten Wandbereiches 26 ein orthogonal zur Längsachse L des Kolbens 16 ausgebildeter Absatz 28. Dieser Absatz 28 wird an einer oder mehreren Stellen mit Hilfe eines in 5 ersichtlichen Werkzeuges 29 plastisch zu radial nach innen ragenden, an dem Kugelkopf 21 anliegenden Haltenasen 30 verformt, so dass der der Kugelkopf 21 formschlüssig in dem Kolben 16 gehalten wird. Die Haltenasen 30 stellen einfach und kostengünstig herstellbare Sicherungsmittel gegen ein Herausgleiten des Kugelkopfes 21 aus der Kugelkopfaufnahme 22 dar. Die Anzahl der Haltenasen 30 ist abhängig von den erforderlichen Haltekräften. Eine gleichmäßige Verteilung der Haltenasen 30 um den Kugelkopf 21 herum ist dabei sinnvoll.
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Das Werkzeug 29 weist zur Herstellung der Haltenasen 30 entsprechende Umformpins 31 auf, welche in einer Halterung 32 befestigt sind. Zur Herstellung der Haltenasen 30 wird die Halterung 32 relativ zur fixierten Stützstange 8 positioniert, so dass die Umformung des Absatzes 28 mittels einer einfachen Hubbewegung erfolgen kann.
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Der nicht gezeigte, zweite Kolben des erfindungsgemäßen Pleuels 1 ist entsprechend dem gezeigten Kolben 16 ausgestaltet.
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Die Erfindung ermöglicht eine einfache und kostengünstige Kugelgelenkverbindung ohne zusätzliche Bauteile.
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Zudem ist eine bessere elastische Anpassung des Kolbens 16 an die Verformung der Hydraulikkammern gegeben ist. Die Dichtung zwischen den Kolben 16 und den Zylindern 12, 13 bzw. den Zylinderbohrungen 10, 11 kann verbessert werden, wobei das erfindungsgemäße Pleuel weniger Montagebauteile aufweist. Zudem kann aufgrund der engeren Toleranzen zwischen Kolben 16 und Zylinder 12, 13 der Verschleiß verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005055199 A1 [0003]
- DE 102015103463 A1 [0004]