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Title:
CONNECTING ROD FOR AN INTERNAL COMBUSTION PISTON ENGINE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/028638
Kind Code:
A1
Abstract:
A connecting rod for an internal combustion piston engine, comprising a hollow connecting-shank with opposite-lying ends provided with a respective pivot eyelet. The inventive rod consists of two thin-walled profiled half sections (5, 6) made of titanium alloy, connected to each other by means of diffusion along a weld (7) extending in a substantially longitudinal direction (L) of said connecting rod, forming a closed hollow space (8) inside the connecting rod shaft (2). The invention also relates to a method for producing one such connecting rod.

Inventors:
ROSSMANN AXEL (DE)
KRUEGER WOLFGANG (DE)
HUFF HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/DE1998/003519
Publication Date:
June 10, 1999
Filing Date:
November 30, 1998
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER BENZ AG (DE)
ROSSMANN AXEL (DE)
KRUEGER WOLFGANG (DE)
HUFF HELMUT (DE)
International Classes:
F16C7/02; (IPC1-7): F16C7/02
Foreign References:
US5370093A1994-12-06
US4369742A1983-01-25
DE3006240A11981-08-27
EP0598664A11994-05-25
EP0462394A11991-12-27
FR2502036A11982-09-24
EP0013648A11980-07-23
DE3708760A11988-09-29
EP0411763B11995-09-27
EP0508664A11992-10-14
DE4019270A11991-12-19
DD146483A11981-02-11
DE3006240A11981-08-27
Other References:
DILTHEY U: "schweisstechnische fertigungsverfahren", vol. 1,2, 1994, VDI-VERLAG GMBH, DUESSELDORF, pages: 239 - 241
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Claims:
Patentansprüche
1. Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit einem hohlen Pleuelschaft (2), an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfenauge (3,4) vorgesehen ist, gekennzeichnet durch die Ausbildung aus zwei dünnwandigen, aus einer Ti tanlegierung bestehenden Profilhälften (5,6), die entlang einer im wesentlichen in Längsrichtung (L) der Pleuelstange (1) verlaufenden Verbindungsnaht (7) unter Bildung eines geschossenen Hohlraums (8) in dem Pleuelschaft (2) durch Diffusi onsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden sind.
2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhälften (5,6) im wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet sind und die Verbindungsnaht (7) in Längsrichtung (L) in der Symmetrieebene der Pleuelstange (1) liegt.
3. Pleuelstange nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Hoh I raum (8) bildende Innenkonturen (9,9') der Profilhälften (5,6) dünnwandige Aus steifungen (5,6) aufweisen.
4. Pleuelstange nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch g e kennzeichnet, daß der Hohlraum (8) mit einem schwingungsdämpenden Medium wie Metallschaum, gefüllt ist.
5. Pleuelstange nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch g e kennzeichnet, daß die Profilhälften (5,6) aus einer hochtemperaturfesten Titane gierung, wie Ti 685, bestehen.
6. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, die einen hohlen Pleuelschaft (2) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Ende j e weils ein Drehzapfenauge (3,4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dünnwandige Profilhälften (5,6) aus einer Titanlegierung bereitgestellt werden, in den Profilhälften (5,6) jeweils eine einen Hohiraum (8) in den Pleuelschaft (2) bil dende Innenkontur (9,9') fertig ausgebildet wird und die Profilhälften (5,6) spie gelbildlich zueinander angeordnet und unter Bildung des geschlossenen Hoh I raums (8) durch Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Aussteifung (11) in den Innenkonturen (9,9') der Profilhälften (5,6) durch spanabhebendes Bearbeiten ausgebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilhälften (5,6) im wesentlichen spiegelbildlich ausgebildet werden und die Verbindungsnaht (7) in Längsrichtung (L) in der Symmetrieebene der Pleuelstange (1) vorgesehen wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, die einen hohlen Pleuelschaft (2) aufweist, an dessen gegenüberliegenden Enden j e weils ein Drehzapfenauge (3,4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Profilhälften (5,6) aus einer Titanlegierung unter Bildung entlang einer Verbin dungsnaht (7) verlaufenden, inneren Trennfuge durch Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten miteinander verbunden werden, die so verbundenen Profithätften (5,6) in eine Form eingebracht werden und die Außenkonturen (10,10') der Profi I hälften (5,6) jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese nach Aufblasen der inn e ren Trennfuge bei hohen Temperaturen an die Form anschmiegen und der Hoh I raum (8) in den Pleuelschaft (2) die vorgesehene Ausbildung annimmt.
Description:
Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine sowie Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange für eine Hubkolbenmaschine, mit einem hohlen Pleuelschaft, an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfen- auge vorgesehen ist, sowie Verfahren zu ihrer Herste Ilung.

In Hochleistungskolbenmotoren eingesetzte Pleuelstangen müssen zum einen b e- sonders leicht sein und zum anderen eine ausreichende Druck-und Zugsteifigkeit aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß zudem hohe Anforderungen an die Torsionsstei- figkeit der Pleuelstange zu stellen sind, um einen unzulässigen Versatz des strukt u- rierten Kolbenbodens zu den Ventilpositionen im Zylinderkopf infolge zu großer Tor- sionsschwingungen zu vermeiden.

Aus der DE 37 08 760 A1 und der EP 0 411 763 B1 sind Pleuelstangen bekannt, deren Schäfte zur Erhöhung der Steifigkeit hohl ausgebildet sind. Diese Pleuelsta n- gen werden jedoch durch Gießen bzw. Schmieden hergestellt und haben aufgrund ihrer großen Wandstärken erhebliche Gewichtsnachteile. Eine Verwendung in Hochleistungsmotoren kommt daher nicht in Betracht.

Aus der EP 0 508 664 A1 ist ein Pleuel sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, das aus zwei Teilen besteht, die mittels Festlegungselementen wie Schra u- ben lösbar miteinander verbunden sind und so im Hinblick auf die Festigkeit, insbe- sondere die Torsionssteifigkeit, Nachteile gegenüber einem geschlossenen Hohlprofil haben.

Die DE 40 19 270 A1 offenbart ein Verbindungselement, wie ein Pleuel, das zur Vermeidung von zusätzlichen Schweißarbeiten nicht aus Blechformteilen, sondern aus einem Rohr mit ausreichend großer Wandstärke besteht, um jeweils stirnseitig die Lageraugen durch Abplatten des Rohrs ausbilden zu können. Das Rohr kann aus Werkstoffen wie Aluminium, Kupfer, Titan oder Eisen bestehen.

Aus der DD 146 483 ist eine Pleuelstange aus Blech bekannt, deren zwei Blechteile durch Schweißen miteinander verbunden werden, wobei an den stirnseitigen Pleuel-

lagerstellen Rohrhülsen eingepreßt und durch Hochtemperaturschutzgaslöten ver- bunden werden können.

Ferner offenbart die DE 30 06 240 A1 ein Pleuel, das für die Massenfertigung ko- stengünstig durch Stanzen zweier Pleuelhälften und anschließendem Verbinden durch Schweißen, Verschrauben oder dgl. hergestellt wird.

Aus dem DE-Buch : Dilthey U."Schweißtechnische Fertigungsverfahren", Band I, 2.

Auflage, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1994, S. 239 bis 241 ist bekannt, daß Titan diffusionsgeschweißt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pleuelstange der eingangs beschri e- benen Gattung zu schaffen, die für den Einsatz in Hochleistungskolbenmotoren ex- trem leicht und möglichst torsionssteif ist. Zudem sollen Verfahren zur Herstellung einer solchen Pleuelstange geschaffen werden.

Die die Pleuelstange betreffende Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß gekenn- zeichnet durch die Ausbildung aus zwei dünnwandigen, aus einer Titanlegierung be- stehenden Profilhälften, die entlang einer im wesentlichen in Längsrichtung der Pleuelstange verlaufenden Verbindungsnaht unter Bildung eines geschlossenen Hohiraums in dem Pleuelschaft durch Diffusionsverbinden miteinander verbunden sind.

Der Vorteil einer solchen Pleuelstange liegt darin, daß der Pleuelschaft durch sein geschlossenes Profil torsionssteif ausgebildet ist und gleichzeitig eine minimale Wandstärke bzw. Querschnittsfläche aufweist. Durch den Einsatz einer Titanlegie- rung als Werkstoff lassen sich dünne Wandstärken und somit Gewichtseinsparungen und gleichzeitig große Festigkeiten auch bei hohen Temperaturen realisieren. Der Querschnitt des hohlen Pleuelschafts kann je nach Anwendungsfall kreis-oder ellip- senförmig oder auch quadratisch oder rechteckig ausgebi Idet sein.

Die Profilhälften sind bevorzugt durch Diffusionsschweißen oder alternativ durch Diffusionslöten miteinander verbunden. Auf diese Weise läßt sich aus den Profilhäl f-

ten trotz ihrer dünnen Wandstärken ein geschlossenes Hohlprofil ohne Festigkei t- seinbußen für die Pleuelstange herstellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Profilhälften im wesentlichen spiege I- bildlich ausgebildet, wobei sie zur Bildung der Pleuelstange spiegelbildlich zueina n- der angeordnet werden und die Verbindungsnaht bevorzugt in Längsrichtung in der Symmetrieebene der Pleuelstange liegt.

Bevorzugt weisen den Hohlraum bildende Innenkonturen der Profilhälften dünnwa n- dige Aussteifungen auf, um die Steifigkeit der Pleuelstange weiter zu erhöhen.

Um Schwingungen der Pleuelstange und auch der Kurbelwelle zu dämpfen, ist der Hohiraum bevorzugt mit einem schwingungsdämpfenden Medium, wie z. B. Metal I- schaum, insbesondere Leichtmetallschaum, gefüllt.

Höchst bevorzugt besteht die Pleuelstange aus einer hochtemperaturfesten Titane- gierung, wie z. B. Ti 685, so daß Kriechverformungen in den an den gegenüberliege n- den Enden des Pleuelschafts vorgesehenen Drehzapfenaugen vermieden werden.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange ist erfindungsgemäß dadurch ge- kennzeichnet, daß zwei dünnwandige Profilhälften aus einer Titanlegierung bereitge- stellt werden, in den Profilhälften jeweils eine einen Teil eines Hohlraums in dem Pleuelschaft bildende Innenkontur fertig, d. h. in ihrer endgültigen Form, ausgebildet wird und die Profilhälften spiegelbildlich zueinander angeordnet und unter Bildung des geschlossenen Hohlraums in dem Pleuelschaft verbunden werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden spiegelbildlich und ansonsten im w e- sentlichen identisch ausgebildete Profilhälften so verbunden, daß die Verbindung s- naht zwischen den beiden Profilhälften in Längsrichtung in der Symmetrieebene der Pleuelstange liegt. Der Vorteil der Verbindung/Fügung in der Längsrichtung der Pleuelstange und somit in Richtung der Hauptbeanspruchungen in Zug-und Druc k- richtung liegt darin, daß die Pleuelstange nicht geschwächt wird. Aus diesem Grund sind auch die verhältnismäßig massiven Guerschnitte zum Kolbenbolzenauge und

zum Kurbelwellen-Lageauge direkt mit dem Pleuelschaft ohne Verbindungsnaht aus- gebildet.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Pleuelstange ist erfindungsgemäß da- durch gekennzeichnet, daß zwei Profilhälften aus einer Titanlegierung unter Bildung einer entlang einer Verbindungsnaht verlaufenden, inneren (Trenn-) Fuge verbunden werden, die so verbundenen, noch nicht ihre endgültige Gestalt/Ausbildung aufwe i- senden Profilhälften in eine Form eingebracht werden und die Außenkonturen der Profilhälften jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese nach dem Aufblasen der i n- neren (Trenn-) Fuge bei hohen Temperaturen an die Form anschmiegen und der Hoh I- raum in dem Pleuelschaft ebenso wie die Profilhälften die vorgesehene bzw. g e- wünschte Form annehmen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezu g- nahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 eine Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel der erfindungsge- mäßen Pleuelstange und Fig. 2 eine Querschnittsansicht auf die Pleuelstange aus Fig. 1 entlang der Linie II-II.

Fig. 1 zeigt eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Pleuelstange mit einem Pleuelschaft 2, an dessen gegenüberliegenden Enden jeweils ein Drehzapfenauge vorgesehen ist, und zwar einerseits ein Kolbenbolzenauge 3 und andererseits ein Kurbelwellen- Lagerauge 4. Die Pleuelstange 1 ist für den Einsatz in einem Hochleistungskolben- motor, z. B. im Rennsport vorgesehen, und besteht aus einer hochwarmfesten Titan- legierung (z. B. Ti 685).

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, besteht die Pleuelstange 1 aus zwei Profilhälften 5 und 6, die entlang einer geschlossenen bzw. umlaufenden Füge-bzw. Verbindungsnaht 7 durch Diffusionsschweißen od. dgl. unter Bildung eines Hohlraums 8 in dem Pleuel- schaft 2 starr miteinander verbunden sind. Der Hohlraum 8 wird durch die Inne n- konturen 9,9 der beiden Profilhälften 5,6 begrenzt. Die Fügeebene bzw. umlaufen- de Verbindungsnaht 7 liegt in Richtung der Hauptbeanspruchungen in Zug-und Druckrichtung, d. h. in einer Ebene in Längsrichtung L der Pleuelstange 1, um die Pleuelstange 1 nicht zu schwächen. Aus diesem Grund sind auch das Kolbenbolzen- auge 3 und das Kurbelwellen-Lagerauge 4 mit ihren verhältnismäßig dicken Quer- schnittsflächen einstückig, d. h. ohne Fügenaht, mit dem Pleuelschaft 2 ausgebildet.

Zudem fällt die Fügeebene 7 mit der Symmetrieebene der Pleuelstange 1 zusa m- men, so daß die beiden Profilhälften 5 und 6 spiegelbildlich und ansonsten im we- sentlichen identisch geformt sein können.

Die Querschnittsfläche der Pleuelstange 1 kann, wie in Fig. 2 schematisch darg e- stellt ist, unterschiedlich ausgebildet sein, z. B. kreis-oder ellipsenförmig, quadra- tisch oder rechteckig, wobei jedoch der Hohiraum 8 in dem Pleuelschaft 2 stets vor- handen ist.

Bei einem ersten Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange 1 aus Fig. 1 und 2 we r- den zunächst die beiden Profilhälften 5 und 6 mit ihren den Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 bildenden Innenkonturen und 9 und 9'separat in ihrer endgültigen Form hergestellt. Dabei werden die massiven Querschnitte zum Kolbenbolzenauge 3 und zum Kurbelwellen-Lagerauge 4 zur Erzielung optimaler Festigkeiten einstückig, d. h. ohne Fügung bzw. Verbindungsnaht, mit dem Pleuelschaft 2, der im Vergleich sehr dünne Wandstärken aufweist, ausgebildet. Die beiden bereits fertig ausgebildet vorliegenden Profilhälften 5 und 6 werden spiegelbildlich zueinander angeordnet, so daß ihre Innenkonturen 9 und 9'einander zugewandt sind, und mittels Diffusions- schweißen od. dgl. starr miteinander verbunden. Nach der Fügung der beiden Profi I- hälften 5 und 6 wird ein geschlossener Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 von den Innenkonturen 9 und 9'der beiden Profilhälften 5 und 6 gebildet. Zur weiteren Ve r- besserung der Steifigkeit können Aussteifungen 11 in den Innenkonturen 9 und 9'

der Profilhälften 5 und 6 bspw. durch spanabhebendes Bearbeiten, wie fräsen, au s- gebildet werden.

Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung der Pleuelstange 1 werden z u- nächst die Profilhaiften 5 und 6, deren Innenkonturen 9 und 9'noch nicht die en d- gültige Gestalt aufweisen, durch Diffusionsschweißen od. dgt. miteinander verbu n- den. Dabei wird zwischen den beiden Profilhälften 5 und 6 und innerhalb derge- schlossenen bzw. umlaufenden Verbindungsnaht 7 eine innere Trennfuge vorges e- hen, aus der später der Hohlraum 8 mit den Innenkonturen 9 und 9'der Profilhälften 5 und 6 gebildet wird.

Dazu werden die beiden Profilhälften 5,6 in eine Form eingebracht, wobei ihre A u- ßenkonturen 10 und 10'jeweils so ausgebildet sind, daß sich diese bei bzw. nach dem Aufblasen der inneren Trennfuge bei hohen Temperaturen durch Kriechumfor- men an die Form anschmiegen und sich der Hohlraum 8 in dem Pleuelschaft 2 unter Aufweitung der Trennfuge bildet. Erst nach dem Aufweiten haben die beiden Profi I- hälften 5,6 ebenso wie der Hohiraum 8 in dem Pleuelschaft 2 ihre endgültige Ge- stalt. Auch bei dieser Verfahrensart können dünnwandige Aussteifungen zur Verbes- serung der Torsionssteifigkeit der Pleuelstange 1 durch eine Art Faltmechanismus an den Innenkonturen 9 und 9'der Profilhälften 5,6 vorgesehen werden.