Stossstange aus Komposit-Werkstoff

Abstract

 

2.1 Die Erfindung betrifft eine Stoßstange für eine Brennkraftmaschine, wobei die Stoßstange einen stangenförmigen Grundkörper mit endseitig befestigten Endstücken aufweist und die Stoßstange kraftübertragend zwischen einer Nockenwelle und einem Kipphebel, der mit einem Gaswechselventil im Zylinderkopf zusammenwirkt, angeordnet ist.

2.2 Erfindungsgemäß wird eine Stoßstange 1 für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, die gegenüber herkömmlichen Stoßstangen 1 funktionell verbessert ist. Dies wird dadurch erreicht, das der Werkstoff des Grundkörpers 2, 2a, 2b, 2c ein Matrix-Verbund aus hochmodularen Karbonfasern (faserverstärkte Epoxidfasern) ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Stoßstange für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine, wobei die Stoßstange einen stangenförmigen Grundkörper mit endseitig befestigten Endstücken aufweist und die Stoßstange kraftübertragend zwischen einer Nockenwelle und einem Kipphebel, der mit einem Betätigungselement, insbesondere einem Gaswechselventil und/oder einem Einspritzpumpenelement, im bzw. im Bereich des Zylinderkopfs zusammenwirkt, angeordnet ist.

[0002] Eine derartige Stoßstange ist aus der US 5,720,246 bekannt. Diese Stoßstange weist einen rohrförmigen Grundkörper auf, der aus einem faserverstärktem Aluminium-Matrix-Verbund hergestellt ist und wobei an diesem Grundkörper aus Stahl bestehende Kappen befestigt sind. Diese Kappen sind massiv gefertigt und weisen ein Befestigungssteil auf, das in den rohrförmigen Grundkörper eingesteckt ist. Der Gewichtsvorteil der so hergestellten Stoßstange liegt gegenüber einer vergleichbaren herkömmlichen aus Stahl hergestellten Stoßstange bei max. 50 %, d. h. die Stoßstange mit dem faserverstärkten Aluminium-Matrix-Verbund wiegt etwa die Hälfte von einer aus Stahl hergestellten Stoßstange. Dabei ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium höher als der von Stahl, das heißt, bei Erwärmung dehnt sich Aluminium stärker aus als Stahl.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stoßstange für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die gegenüber herkömmlichen Stoßstangen funktionell verbessert ist.

[0004] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zumindest der Grundkörper der stangenförmigen Stoßstange (wobei die stangenförmige Ausbildung auch eine rohrförmige Gestaltung einschließt) aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner Null ist. Hierdurch wird die Notwendigkeit für große Ventilspiele, insbesondere auf der Auslassseite reduziert. Bei konventionellen Ventiltrieben muss die Ausdehnung des heißen Auslassventils und additiv der Stoßstange durch entsprechendes Vorhalten über das Ventilspiel so kompensiert werden, dass im Haupttemperaturbereich der Brennkraftmaschine sich ein kinematisch vertretbares Ventilspiel (Warmspiel) einstellt. Dies bedeutet, dass in allen davon abweichenden Betriebszuständen mit kinematisch ungünstigen - zu großen - Ventilspielen gearbeitet werden muss. Es sind zwar hydraulische Ventilspielausgleiche bekannt; deren Nachstellfähigkeit erfüllt aber nicht die Erfordernisse bei Mittel- und Großbrennkraftmaschinen mit Zylinderleistungen von über 100 kW. Dadurch, dass der Grundkörper der Stoßstange aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zumindest gleich Null ist, ist eine deutliche Reduzierung des Ventilspiel möglich, da die Stoßstange beziehungsweise deren Grundkörper aufgrund der funktionsbedingten Länge (bei Mittel- und Großbrennkraftmaschinen im Bereich von mindestens 500 mm) bei herkömmlicher Ausbildung eine Ausdehnung im Bereich von 0,5 mm erfährt. Ist der Wärmeausdehnungskoeffizient negativ, erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation der Ausdehnung des Auslassventils. Dabei ist es bei optimaler Abstimmung der Bauteile möglich, die Ausdehnung des Auslassventils vollständig zu kompensieren. Das bedeutet, dass das Ventilspiel in quasi allen Betriebszuständen auf einen zumindest angenähert optimalen Wert eingestellt ist.

[0005] In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff des Grundkörpers ein Matrix-Verbund aus hochmodularen Karbonfasern (faserverstärkte Epoxidfasern). Dieser Werkstoff hat je nach Zusammensetzung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der gleich oder kleiner Null ist (bis ca. α = -2 x 10^-6).

[0006] Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass verglichen mit einer herkömmlichen aus Stahl gefertigten Stoßstange die erfindungsgemäß hergestellte Stoßstange einbaufertig ein Gewicht aufweist, das um ca. 50 % geringer ist als das einer herkömmlich hergestellten Stoßstange. Dies ist im Zusammenhang mit der Steuerung beispielsweise als Gasmotoren ausgebildeter Brennkraftmaschinen besonders vorteilhaft, da bei diesen das sogenannte "Miller-Steuerverfahren" angewendet werden kann, das eine äußerst kurze Einlasszeit erfordert und daher wegen der erforderlichen schnellen Öffnung (und Schließung) der Ventile hohe Beschleunigungswerte der Massenkette des Ventiltriebs bedingt. Die so hergestellte Stoßstange weist eine Knicksicherheit auf, die höher als die einer herkömmlich hergestellten Stoßstange ist. Dabei weist in bevorzugter Ausbildung der E-Modul der Karbonfasern einen Wert auf, der größer als 400 Gigapascal ist. In Verbindung mit den möglichen größeren Querschnitten (Dichte von Stahl = 7.8; Dichte einer Karbonmatrix = 1.7) ist eine Steigerung der Steifigkeit im Bereich von ca. 200 % möglich. Für Stahl sind E-Modul Werte von ca. 200 Gigapascal erreichbar. Zur Herstellung des Grundkörpers kann produktionstechnisch ein Kern erforderlich sein. Dieser kann nach der Herstellung entfernt werden oder aber auch in dem Grundkörper verbleiben. Soll der Kern in dem Grundkörper verbleiben, besteht der Kern vorteilhaft aus einem leichten Schaum, der gerade die zur Herstellung notwendige Festigkeit aufweist.

[0007] In Weiterbildung der Erfindung sind die bevorzugt aus Stahl hergestellten Endstücke über eine Gewindeverbindung mit dem Grundkörper verbunden. Dabei können in weiterer Ausgestaltung die eingeschraubten Endstücke gegen ein Verdrehen gesichert sein. Dies wird beispielsweise durch einen Kleber bewirkt, mit dem das Gewinde bei der Montage bestrichen wird. Das Ausknicken der vorzugsweise unidirektional orientierten Fasern im Krafteinleitungsbereich wird durch eine endseitig an den Grundkörper angebrachte metallische Hülse (innen und/oder außen) oder eine Umfangswicklung aus hochfesten Fasern verhindert.

[0008] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Endstücke miteinander verspannt. Dies erfolgt mittels einer Karbonschleife, die über in den Endstücken angeordnete Spannexzenter gespannt wird.

[0009] In Weiterbildung der Erfindung kann in den Grundkörper ein Innenrohr eingesetzt werden, das in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist. Dieses Innenrohr ist bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, wobei dieses Innenrohr aber zumindest keine wesentlichen Kräfte aufnehmen muss und entsprechend nur zum Flüssigkeitstransport dimensioniert ist. In weiterer Ausgestaltung kann das Innenrohr zumindest endseitig jeweils ein Außengewinde aufweisen, das mit einem Innengewinde der Endstücke verschraubbar ist. Zudem kann das Innenrohr den bei der Herstellung des Grundkörpers produktionstechnisch erforderlichen Kern darstellen.

[0010] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Grundkörper ein Matrix-Verbund aus hochmodularen Pitchfasern (Kohlefasern höchster Reinheit und Steifigkeit), die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten < 0 aufweisen, der ca. α = -2 x 10^-6 beträgt. Dies bedeutet, dass die Stoßstange bei Erreichen der Betriebstemperatur eine negative Ausdehnung im Bereich von bis zu 1 mm erfährt, d. h., die Stoßstange ist bei Betriebstemperatur um bis zu 1 mm kürzer als bei kalter Brennkraftmaschine. Neben dem somit erreichten vollständigen Ventilspielausgleich ist durch das geringe Gewicht ein schnelles Öffnung und Schließen des entsprechenden Gaswechselventils, das durch entsprechend steile Ausgestaltung der Öffnungs- und Schließflanke des zugehörigen Nockens der Nockenwelle erreicht wird, möglich. Dies ist insbesondere bei Anwendung des sogenannten "Miller-Verfahrens" von Vorteil.

[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben sind.

[0012] Die Figuren 1 bis 4 zeigen in entsprechenden Schnittdarstellungen unterschiedliche Verbindungen des Grundkörpers mit den Endstücken.

[0013] In den Figuren 1 bis 4 ist jeweils ausschnittsweise der Endbereich einer Stoßstange 1, 1a, 1b, 1c dargestellt. Diese Stoßstange 1, 1a, 1b, 1c ist kraftübertragend zwischen einer im Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine (untenliegend) angeordneten Nockenwelle und einem im Zylinderkopf oder einem Kipphebelgehäuse der Brennkraftmaschine angeordneten Kipphebel angeordnet. Dabei wird von dem Kipphebel die Bewegung der Stoßstange auf ein Gaswechselventil übertragen.

[0014] Der grundsätzliche Aufbau der Stoßstangen 1, 1a, 1b, 1c aus einem Grundkörper 2, 2a, 2b, 2c und Endstücken 3, 3a, 3b, 3c ist bei allen Ausführungsbeispielen gleich, unterschiedlich ist die Verbindung der Endstücke 3, 3a, 3b, 3c mit dem jeweiligen Grundkörper 2, 2a, 2b, 2c.

[0015] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist in den den Grundkörper 2 umfassenden hülsenförmigen Fortsatz 4 des Endstücks 3 ein Steilgewinde eingearbeitet, das als Kleberreservoir dient. Zur Montage des Endstücks 3 auf dem Grundkörper 2 wird das Steilgewinde mit einem Kleber bestrichen und dann das Endstück 3 auf den Grundkörper 2 aufgesetzt. Weiterhin ist an dem Endstück 3 eine Innenhülse 6 befestigt, deren Außendurchmesser so bemessen ist, dass dieser dem Innendurchmesser des rohrförmigen Grundkörpers 2 entspricht. Dadurch wird ein Ausbrechen des Grundkörpers 2 in dem Verbindungsbereich zu dem Endstück 3 sicher verhindert.

[0016] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist anstelle der Innenhülse 6 ein metallisches Rohr 7 vorgesehen, das mit den beiden Endstücken 3a verschraubt ist. Dieses Rohr 7 kann dünnwandig ausgebildet sein und nur in den Endbereichen ein Gewinde aufweisen.

[0017] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist eine ähnliche Verbindung wie bei Fig. 1 dargestellt; hier ist in dem Fortsatz 4b ein Feingewinde eingearbeitet, das bei der Montage des Endstücks 3b in die Oberfläche des Grundkörpers 2 einschneidet. Zusätzlich kann auch dieses Feingewinde bei der Montage mit einem Kleber bestrichen werden.

[0018] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die beiden Endstücke 3c mittels einer Karbonschleife 8 miteinander verbunden. Die Karbonschleife 8 wird über Spannexzenter 9 gelegt, die entsprechend verstellbar sind.

[0019] Die Endstücke 3, 3a, 3b, 3c sind in dem mit dem Nocken der Nockenwelle beziehungsweise mit dem Kipphebel zusammenwirkenden Bereich kugelförmig ausgebildet, wobei in den Kugelkopf eine Öffnung zum Öltransport eingearbeitet sein kann.

Bezugszeichenliste:

[0020] 

1, 1a, 1b, 1c

Stoßstange

2, 2a, 2b, 2c

Grundkörper

3, 3a, 3b, 3c

Endstück

4

Fortsatz

5

Steilgewinde

6

Innenhülse

7

Rohr

8

Karbonschleife

9

Spannexzenter

Ansprüche

1. Stoßstange für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine selbstzündende Brennkraftmaschine, wobei die Stoßstange einen stangenförmigen Grundkörper mit endseitig befestigten Endstücken aufweist und die Stoßstange, die kraftübertragend zwischen einer Nockenwelle und einem Kipphebel, der mit einem Betätigungselement, insbesondere einem Gaswechselventil und/oder einem Einspritzpumpenelement im bzw. im Bereich des Zylinderkopfs zusammenwirkt, angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Grundkörper (2, 2a, 2b, 2c) der Stoßstange (1) aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner Null ist.

2. Stoßstange nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Grundkörpers (2, 2a, 2b, 2c) ein Matrixverbund aus hochmodularen Karbonfasern ist.

3. Stoßstange nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul der Karbonfasern größer als 400 Gigapascal ist.

4. Stoßstange nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (3, 3a, 3b, 3c) über eine Gewindeverbindung mit dem Grundkörper (2, 2a, 2b, 2c) verbunden sind.

5. Stoßstange nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (3, 3a, 3b, 3c) gegen Verdrehen gesichert sind.

6. Stoßstange nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Endstücke (3, 3a, 3b, 3c) miteinander verspannt sind.

7. Stoßstange nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass endseitig an den Grundkörper (2, 2a, 2b, 2c) eine Umfangswicklung aus Karbon angebracht ist.

8. Stoßstange nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in den Grundkörper (2, 2a, 2b, 2c) ein metallisches Rohr (7) eingesetzt ist.

9. Stoßstange nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (7) in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine integriert ist.

10. Stoßstange nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Pitchfasern den Werkstoff des Grundkörpers bilden.

Zeichnung