AT7501U1 - Kolbenbolzenlager - Google Patents

Abstract

Pleuel (9), insbesondere Pleuel zum Einsatz in Kältemittelkompressoren, mit einer an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers (3) angeordneten, sich von einer Axiallagerfläche (17) des Kolbenbolzenlagers (3) in Richtung zu, vorzugsweise bis zu dessen gegenüberliegender Axiallagerfläche erstreckenden Nut (12) für die Ölzuführung. Um ein Pleuel, insbesondere zum Einsatz in Kältemittelkompressoren zu schaffen, welches einfach im Aufbau ist, die Vorteile eine Nutanordnung zur besseren Ölverteilung ausnutzt, ohne jedoch Flächenpressungen zu bewirken, welche eine starke Abnutzung bzw. Zerstörung des Bauteils bedingen bzw. eine stärkere Dimensionierung des Bauteils erfordern, ist vorgesehen, dass in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers (3) gesehen die Verbindung des Flächenschwerpunkts (15) der Querschnittsfläche der Nut 12 mit der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) und die Ebene (E), gebildet aus der Achse (3) des Kolbenbolzenlagers und der Achse (5) des Pleuellagers (2), einen Winkel (a) miteinander einschließen.

Description

AT 007 501 U1 Kältemittelkompressor mit einer Kolben-Zylinder-Einheit und einem eine Kurbelwelle und den Kolben verbindenden Pleuel (9), welches eine an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers (3) angeordnete, sich von einer Axiallagerfläche (17) des Kolbenbolzenlagers (3) in Richtung zu, vorzugsweise bis zu deren gegenüberliegenden Axiallagerfläche erstreckenden Nut (12) für die 5 Ölzuführung aufweist, wobei die Nut (12) in jener, an die Pleuelstange anschließende Hälfte des Kolbenbolzenlagers (3) des Pleuels (9) angeordnet ist, und in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers (3) gesehen die Verbindung des Flächenschwerpunkts (15) der in der Axiallagerfläche (17) liegenden Querschnittsfläche der Nut (12) mit der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) und die Ebene (E), gebildet aus der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers und der Achse (5) des Pleuellagers io (2), einen Winkel (a) von größer als 0° miteinander einschließen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Optimierung eines Kältemittelkompressors stellt das Kolbenbolzenlager das kritische Lager dar, da dieses Lager nicht hydrodynamisch geschmiert wird, da der Kolbenbolzen nicht rotiert und das Pleuel relativ zum Kolbenbolzen nur hin- und herbewegt wird und damit keine um 15 Achsen rotierenden Oberflächen vorhanden sind und in Kältemittelkompressoren meistens keine Druckölschmierung, die diesen Nachteil aufheben könnte, eingesetzt wird. Die Ölversorgung des Lagers erfolgt meist durch reine Spritzölschmierung, d.h. das Öl wird entweder direkt auf eines der beiden Lagerenden gespritzt oder indirekt über Ölauffangflächen und Ölzuführungen zum bzw. in das Lager geleitet. 20 Eine weitere Möglichkeit der Schmierung des Kolbenbolzenlagers besteht in der Ausbildung einer Bohrung vom Pleuellager zum Kolbenbolzenlager im Pleuel, um Öldruck aufzubauen und damit das Lager zu schmieren. Dies kommt einer Art Druckölschmierung gleich. Dazu ist aber eine aufwändige Gestaltung des Pleuels, des Pleuellagers, des Kolbenbolzenlagers und des Kolbenbolzens notwendig, was erhöhte Fertigungskosten und längere Fertigungszeiten bedingt. 25 Aus diesem Grund findet häufig die Spritzölschmierung Anwendung.

Um dabei eine bessere Ölzuführung und -Verteilung zu gewährleisten, ist eine Nut vorgesehen die entweder am Kolbenbolzen selbst als Abflachung realisiert ist oder aber an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers angeordnet ist, parallel zu dessen Achse in der Schnittlinie der aus der Achse des Kolbenbolzenlagers und der Achse des Pleuellagers gebildeten Ebene mit der 30 inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers.

Diese Lösungen haben den großen Nachteil, dass hier durch die Nut bzw. den Anschliff am Kolbenbolzen ein gewisser Anteil an tragfähiger Oberfläche verloren geht und somit die Flächenpressung im Lager steigt wenn nicht gleichzeitig die Breite des Lagers mitangepasst wird, was aber wiederum größere Bauteilabmessungen bedingen würde. Bei der Realisierung der Nut wie oben 35 beschrieben, besteht außerdem der Nachteil, dass sich die Nut immer an der Stelle der maximalen Belastung befindet, da die Kraft, die vom Pleuel auf den Kolbenbolzen ausgeübt wird, immer in Richtung Pleuelachse wirkt und somit die maximale Kraft immer in Richtung Nut zeigt.

Betrachtet man in einem Diagramm den Druckverlauf über dem Umfang des Kolbenbolzenlagers, bildet sich ohne Anordnung einer Nut eine Öldruckparabel (soweit überhaupt Öl im Lager 40 zwischen Kolbenbolzen und dem kleinen Lager des Pleuels vorhanden ist) zwischen pmin=0 und Pmaxohnenut aus. Bei Anordnung einer Nut, unabhängig davon ob diese auf dem Kolbenbolzen selbst oder aber an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers ausgebildet ist, bilden sich im Diagramm am Umfang des Kolbenbolzenlagers auf beiden Seiten der Nut ebenfalls Öldruckparabeln aus, jedoch mit einer nur geringen Breite in Umfangsrichtung der Lagerschale, jedoch mit relativ 45 hohen Druckspitzen Pmaxmitnut (> Pmaxohnenut). da die gesamte Kraft über den Ölfilm bzw. die um die Nut bzw. Abflachung kleinere Kontaktfläche übertragen werden muss. Die Kraft über die kleine Fläche links und rechts der Nut verteilt, kann aber zu recht hohen Belastungen führen, welche einerseits den Ölfilm gerade bei maximaler Last durchdrückt bzw. im weiteren zu Festkörperkontakt führt und es zu Schäden bzw. Verschleiß des Lagers kommen kann. Um dem entgegenzuwir-50 ken und eine für den jeweiligen Werkstoff zulässige max. Flächenpressung nicht zu überschreiten ist daher eine größere Lagerlänge und somit eine Vergrößerung des Pleuels notwendig. Weiters kann es bei der Kante zwischen Nut und innerer Oberfläche des Kolbenbolzenlagers vor allem bei der Kante die das Öl vom Kolbenbolzen bei Belastungszunahme abstreift, zu Festkörperkontakt und somit zu Mischreibung und Verschleiß kommen. 55 Aus dem Verbrennungskraftmaschinenbau, beispielsweise aus der JP 11-303 872, ist es 2 AT 007 501 U1 bekannt, in jener, der Pleuelstange abgewandten Hälfte des Kolbenbolzenlagers eine von einer Stirnfläche zur gegenüberliegenden Stirnfläche desselben verlaufende Nut vorzusehen. Diese Nut verläuft jedoch im unbelasteten Bereich des Kolbenbolzenlagers, was aufgrund der im Verbrennungskraftmaschinenbau üblichen Druckölschmierung, die im Kältemittelkompressorenbau keine 5 Anwendung findet, keine weiteren Probleme bereitet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile zu verhindern und einen Kältemittelkompressor vorzusehen, der eine optimale Ölversorgung des Kolbenbolzenlagers des zum Einsatz kommenden Pleuels ermöglicht, welcher einfach im Aufbau ist, die Vorteile einer Nutanordnung im Kolbenbolzenlager zur besseren Ölverteilung ausnutzt, ohne jedoch Flä-10 chenpressungen zu bewirken, welche eine starke Abnutzung bzw. Zerstörung des Bauteils bedingen bzw. ohne eine stärkere Dimensionierung des Bauteils zu erfordern.

Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 ermöglicht. Dadurch wird es zunächst trotz Nutanordnung ermöglicht, dass an der Stelle der höchsten Belastung im Kolbenbolzenlager sich eine in Umfangsrichtung breite Öldruckparabel aufbaut, was 15 bedeutet, dass die maximal auftretende Pressung pTOX und damit die Lagerbreite klein gehalten werden kann. Zusätzlich befinden sich die Kanten der Nut, die zu einer möglichen Kantenpressung und somit zum „Durchdrücken“ des Ölfilms führen könnten, an Stellen mit geringerer Belastung. Durch Verwirklichung der kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 ergibt sich außerdem die Ausbildung einer „Gewindenut“. Dies hat einerseits den Vorteil einer einfacheren Fertigung, da bei 20 gerader Schneide des Werkzeugs die Schneide nicht in die Nut „hineinfallen“ kann und somit eine kleinere Zylinderform der Bohrung gewährleistet werden kann, sowie den Vorteil dass die zur Ölverteilung vorgesehene Nut auch durch Bereiche mit höchster Belastung führen kann. Andererseits kann trotzdem die tragende Fläche im Kolbenbolzenlager im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden, da nur mehr ein Teil der Nut in der Stelle der höchsten Belastung liegt. 25 Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 beschreiben eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung. Der Winkel α soll dabei zwischen 5° und 90°, vorzugsweise zwischen 25° und 50° liegen. Pleuel, die eine um den Winkel α versetzte Nut in diesem Bereich aufweisen liefern besonders gute Ergebnisse was die Minimierung der Belastung und damit den Verschleiß im Kolbenbolzenlager betrifft. 30 Durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 3 bildet die von der Schnittlinie der aus der Achse des Kolbenbolzenlagers und der Achse des Pleuellagers gebildeten Ebene mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers weiter entfernt angeordnete Kante der Nut bei Bewegung des Pleuels in Richtung zunehmender Kraft eine Ölabstreifkante. Durch Vorsehen eines lediglich kleinen Radius dieser Kante, kann bei Bewegung des Pleuels das Öl im Kolbenbolzenla-35 ger an dieser Kante abgestreift werden, womit ein Ölwechsel im Schmierspalt gewährleistet ist.

Durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 und 5 bewirkt die zur Schnittlinie der aus der Achse des Kolbenbolzenlagers und der Achse des Pleuellagers gebildeten Ebene mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers näher angeordnete Kante der Nut bei der Bewegung des Pleuels in Richtung abnehmender Kraft das Aufgleiten auf das durch die Nut zugeführte Öl, 40 das in weiterer Folge einen Ölfilm zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenlager gewährleistet.

Besonders gute Schmierung und damit gutes Verschleißverhalten wird durch Verwirklichung der Merkmale des Anspruchs 6 erzielt, indem jener Abschnitt der Seitenfläche der Nut, der näher zur Schnittlinie angeordnet ist, um einen Seitenflächenwinkel γ, der zwischen 30° und 90°, vorzugsweise jedoch zwischen 40° und 65° beträgt, geneigt ist. 45 Im Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung. Dabei zeigt Fig. 1 ein Pleuel gemäß Stand der Technik Fig. 2 ein Detailansicht des Kolbenbolzenlagers aus Fig. 1 Fig. 3 einen Kolbenbolzen gemäß Stand der Technik Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Pleuel 50 Fig. 5 eine Detailansicht des Kolbenbolzenlagers aus Fig.4 Fig. 6 eine Detailansicht der Nut des Kolbenbolzenlagers Fig. 7 eine Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzenlagers Fig. 8 ein Druckverteilungsdiagramm für ein Pleuel nach dem Stand der Technik Fig. 9 ein Druckverteilungsdiagramm für ein erfindungsgemäßes Pleuel 55 Fig. 1 zeigt ein Pleuel 1 gemäß Stand der Technik mit Pleuellager 2 und Kolbenbolzenlager 3. 3 AT 007 501 U1

Wie aus Fig.2, einer Detailansicht des Kolbenbolzenlagers 3, ersichtlich ist, ist entlang der Schnittlinie der Ebene E, gebildet aus der Achse 4 des Kolbenbolzenlagers 3 und der Achse 5 des Pleuellagers 2 mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers 3, eine Nut 6 angeordnet, die an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers 3 parallel zu dessen Achse 4 verläuft. 5 Wie sofort ersichtlich befindet sich die Nut 6 in einer Zone höchster Belastung, da die Kraft, die das Pleuel auf den Kolbenbolzen ausübt immer in Richtung Pleuelachse wirkt. Die Nut 6 bedeutet einen Verlust an Tragfläche des Kolbenbolzenlagers 3. Die Flächenpressung im Kolbenbolzenlager 3 wird durch die Nut 6 erhöht.

Fig. 8 zeigt ein Druckverteilungsdiagramm für einen Belastungsfall mit Nut 6 parallel zur Achse 10 4. Dabei ist der Druckverlauf im Kolbenbolzenlager 3 über dessen Umfang ersichtlich. Im Bereich der Nut 6 kann keine Kraft übertragen werden, weshalb sich links und rechts neben der Nut 6 Belastungsparabeln mit hohem Maximalwert Pmaxmitnut ausbilden. Durch diese Maximalwerte kann der Ölfilm durchgedrückt werden was in weiterer Folge zu Festkörperkontakt zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenlager und zu Schäden bzw. Verschleiß des Lagers führt. 15 Auch die aus dem Stand der Technik bekannte Ausführungsvariante wie in Fig. 3 gezeigt, führt zu einem gleichen Belastungsfall. Die durch Abflachung im Kolbenbolzen 7 gebildete Nut 8 führt dazu, dass in diesem Bereich keine Kraft auf das Pleuel übertragen werden kann, wodurch sich eine Druckverteilung wie in Fig. 8 gezeigt, ausbildet.

Ein diese Nachteile verhinderndes erfindungsgemäßes Pleuel 9 mit Pleuellager 2 und Kolben-20 bolzenlager 3 ist in Fig. 4 abgebildet. Das Kolbenbolzenlager 3 weist zwar an dessen inneren Oberfläche ebenfalls eine Nut 12 auf. Der Beginn der Nut 12 an der Kante der Axiallagerfläche 17 des Kolbenbolzenlagers 3, ist jedoch zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Beginn der Nut 6 versetzt angeordnet, wobei in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers 3 gesehen die Verbindung des Flächenschwerpunkts 15 der Querschnittsfläche der Nut 12 mit der Achse 4 des Kolben-25 bolzenlagers 3 und die Ebene E, gebildet aus der Achse 4 des Kolbenbolzenlagers 3 und der Achse 5 des Pleuellagers 2, einen Winkel α miteinander einschließen.

Der Winkel α beträgt dabei zwischen 5° und 90°, vorzugsweise zwischen 25° und 50° und ist so gewählt, dass der zweifache Winkel α mindestens die sich über die Umfangsrichtung ausbildende Öldruckparabel einschließt (siehe auch Fig.9). 30 Der weitere Verlauf der Nut 12 an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers 3 kann un terschiedlich sein. Entweder verläuft die Nut 12 parallel zur Schnittlinie 16 der Ebene E mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers 3 oder aber die Tangente T in jedem beliebigen Punkt X einer Erzeugenden 22 der Nut 12 schließt mit einer Parallelen zur Achse 4 des Kolbenbolzenlagers 3 durch diesen Punkt X einen Winkel ß, der stets > 0 ist, ein, wodurch sich eine „Gewindenut“ 35 ergibt, da die Nut 12 entlang der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers 3 verläuft und daher entlang einer Schraublinie, wie aus Fig. 7 ersichtlich.

Fig. 9 zeigt ein Druckverteilungsdiagramm für ein erfindungsgemäßes Pleuel 9. Dabei ist wiederum der Druckverlauf im Kolbenbolzenlager 3 über dessen Umfang ersichtlich. Der sich einstellende Druckverlauf weist wesentlich geringere Belastungsspitzen p^ auf, wodurch das Material 40 geschont und die Lebensdauer verlängert wird. Die Gefahr des Durchdrückens des Schmierölfilms besteht nicht.

Fig. 5 zeigt eine Detailansicht des Kolbenbolzenlagers 3 samt Nut 12. Die von der Schnittlinie 16 weiter entfernt angeordnete Kante 18 der Nut 12 ist mit einem maximalen Radius von 0,1 mm ausgeführt. Dadurch kann diese Kante 19 bei Bewegung des Pleuels 9 in Richtung zunehmender 45 Kraft (Pfeil a in Fig.4) als Ölabstreifkante eingesetzt werden. Sie sorgt somit für einen Ölwechsel im Schmierspalt.

Gleichzeitig ist die zur Schnittlinie 16 näher angeordnete Kante 19 der Nut 12 mit einem minimalen Radius von 0,05 mm ausgebildet. Bei Bewegung des Pleuels 9 in entgegengesetzter Richtung zu Pfeil a in Fig. 4 gleitet diese Kante 19 am Öl auf und versorgt so den Schmierspalt mit 50 ausreichend Öl.

Begünstigt wird die Ölversorgung des Schmierspaltes dadurch, dass in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers 3. gesehen die Seitenfläche 20 der Nut 12, die näher zur Schnittlinie 16 angeordnet ist, um einen Seitenflächenwinkel γ gegenüber der radialen Verbindung 21 der Achse 4 des Kolbenbolzenlagers 3 mit dem obersten Punkt der Seitenfläche 20 geneigt ist, wobei der Seitenflä-55 chenwinkel γ zwischen 30° und 90°, vorzugsweise jedoch zwischen 40° und 65“ liegt. 4

Claims (1)

1. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 AT 007 501 U1 ANSPRÜCHE: 1. Kältemittelkompressor mit einer Kolben-Zylinder-Einheit und einem eine Kurbelwelle und den Kolben verbindenden Pleuel (9), welches eine an der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers (3) angeordnete, sich von einer Axiallagerfläche (17) des Kolbenbolzenlagers (3) in Richtung zu, vorzugsweise bis zu deren gegenüberliegenden Axiallagerfläche erstreckenden Nut (12) für die Ölzuführung aufweist, wobei die Nut (12) in jener, an die Pleuelstange anschließende Hälfte des Kolbenbolzenlagers (3) des Pleuels (9) angeordnet ist, und in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers (3) gesehen die Verbindung des Flächenschwerpunkts (15) der in der Axiallagerfläche (17) liegenden Querschnittsfläche der Nut (12) mit der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) und die Ebene (E), gebildet aus der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers und der Achse (5) des Pleuellagers (2), einen Winkel (a) von größer als 0° miteinander einschließen, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Pleuelachse gesehen die Tangente in jedem beliebigen Punkt (X) einer Erzeugenden (22) der Nut (12) mit einer Parallelen zur Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) durch diesen Punkt einen Winkel (ß) einschließt, der stets größer als 0° ist. 2. Kältemittelkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) zwischen 5° und 90°, vorzugsweise zwischen 25° und 50°, liegt. 3. Kältemittelkompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jene Kante (18) der Nut (12), die zur Schnittlinie (16) der Ebene (E), gebildet aus der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) und der Achse (5) des Pleuellagers (2), mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers (3) weiter entfernt ist, mit einem maximalen Radius von 0,1 mm ausgebildet ist. 4. Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jene Kante (19) der Nut (12), die zur Schnittlinie (16) der Ebene (E), gebildet aus der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) und der Achse (5) des Pleuellagers (2), mit der inneren Oberfläche des Kolbenbolzenlagers (3) näher angeordnet ist, mit einem minimalen Radius von 0,05 mm ausgebildet ist. 5. Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Achsrichtung des Kolbenbolzenlagers (3) gesehen die Seitenfläche (20) der Nut (12), die näher zur Schnittlinie (16) angeordnet ist, um einen Seitenflächenwinkel (γ) gegenüber der radialen Verbindung (21) der Achse (4) des Kolbenbolzenlagers (3) mit dem obersten Punkt der Seitenfläche (20) geneigt ist. 6. Kältemittelkompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenflächenwinkel (γ) zwischen 30° und 90°, vorzugsweise jedoch zwischen 40° und 65° beträgt. HIEZU 6 BLATT ZEICHNUNGEN 5 55