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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen zur Verbindung
des kleinen Pleuelauges eines Klemmpleuels mit einem Kolben eines
Verbrennungsmotors, wobei der Kolben Nabenbohrungen zur Aufnahme
des Kolbenbolzens und wobei der Kolbenbolzen eine Innenbohrung aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Kolbenbolzens.
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Ein
Kolbenbolzen verbindet ein Pleuel mit dem Kolben eines Verbrennungsmotors,
wobei das Pleuel wiederum den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet.
Das Pleuel ist mit einem kleinen Pleuelauge und einem großen
Pleuelauge versehen. Das kleine Pleuelauge nimmt hierbei den Kolbenbolzen
auf, während das große Pleuelauge einen Kurbelzapfen umschließt.
Das kleine Pleuelauge ist fluchtend zu Nabenbohrungen angeordnet,
die in am Kolben vorgesehenen Bolzennaben eingebracht sind. Der
Kolbenbolzen ist in den Nabenbohrungen gelagert und durchsetzt zugleich
das kleine Pleuelauge. Die Bolzennaben und die Pleuelaugen zählen
zu den am höchsten beanspruchten Partien eines Kolbens,
weil sich der Kolbenbolzen nicht nur bei der oszillierenden Bewegung
des Kolbens aufgrund der enormen auf den Kolben wirkenden Kräfte
verbiegen kann, sondern weil der Kolbenbolzen auch an den Nabenbohrungen
und dem kleinen Pleuelauge reiben kann.
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Die
DE-OS 24 55 750 offenbart
einen gattungsgemäßen Kolbenbolzen. Dieser Kolbenbolzen ist
komplex aufgebaut und daher nur aufwändig herzustellen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen
Kolbenbolzen in seinem Aufbau zu vereinfachen und eine Massereduktion
des Kolbenbolzens bei verbesserter Belastbarkeit im Betrieb zu erreichen.
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Die
Lösung besteht darin, dass die Innenbohrung des Kolbenbolzens
eine Exzentrizität zu seiner Mantelfläche aufweist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Merkmal „Exzentrizität” verstanden,
dass die Längsachse der erfindungsgemäß vorgesehenen Innenbohrung
gegenüber der Längsachse einer zentrischen Innenbohrung
um einen bestimmten Betrag versetzt ist.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch
aus, dass die erfindungsgemäß vorgesehene Exzentrizität
es erlaubt, das Volumen der Innenbohrung größer
auszuführen als im Stand der Technik. Daraus resultiert
neben der Materialersparnis insbesondere eine Gewichtsersparnis,
die mit einer Reduzierung der Massenkräfte im Betrieb einhergeht.
Infolgedessen wird die Belastung von Kolbenbolzen, kleinem Pleuelauge
und Bolzennaben durch die im Betrieb wirkenden Kräfte (Gaskraft,
Massenkraft) vermindert, und ggf. auftretende Spannungsspitzen werden
reduziert.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines
derartigen Kolbenbolzens besteht darin, dass der Querschnitt eines
mit einer zentrischen Innenbohrung versehenen Rohrstücks
in einem definierten Bereich des Rohrstücks quer zu seiner Längsachse
versetzt wird und anschließend die Mantelfläche
des Rohrstücks wieder in eine zylindrische Form gebracht
wird.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Kolbenbolzens besteht darin, dass ein Kolbenbolzen
mit einer Innenbohrung versehen wird und die Innenbohrung im Bereich
der Bolzenenden vergrößert und mit einer Exzentrizität
versehen wird.
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Dies
sind zwei besonders einfach und kostengünstig ausgestaltete
Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Exzentrizität ist bevorzugt zumindest im Bereich der Längsachse
des Klemmpleuels im Kolbenbolzen vorgesehen, weil dort die Belastung
des Kolbenbolzens am größten ist.
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Die
Exzentrizität beginnt und/oder endet bspw. im Scherbereich
zwischen dem kleinen Pleuelauge und dem Kolbenbolzen. Sofern die
Exzentrizität nicht über die gesamte Bolzenlänge
konstant ist, stellt dies eine bevorzugte Ausgestaltung dar, bei
der die Scherkräfte zwischen Klemmpleuel und Kolbenbolzen
gering sind.
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Die
Innenbohrung ist zweckmäßigerweise eine Durchgangsbohrung,
kann aber auch bspw. aus zwei Teilbohrungen in den Endbereichen
des Kolbenbolzens bestehen.
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Die
Exzentrizität entlang der Bolzenlängsachse kann
konstant oder variabel zur Mantelfläche des Kolbenbolzens
ausgebildet sein. Hier sind je nach den Anforderungen des Einzelfalls
mehrere Varianten denkbar, um die Kräfteverteilung zu optimieren.
Die vorliegende Erfindung kann daher sehr gut an unterschiedliche
Bedingungen in verschiedenen Motortypen angepasst werden. Dies gilt
auch für die Ausgestaltung der Innenbohrung, die bspw.
einen kreisförmigen, ovalen oder trigonalen Querschnitt aufweisen
kann. Die Innenbohrung kann auch entlang der Bolzenlängsachse
einen konstanten oder variablen Querschnitt und/oder einen konstanten oder
variablen Durchmesser aufweisen.
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Die
Exzentrizität ist vorzugsweise zumindest teilweise zum
Nadir des Kolbenbolzens, das heißt, in Richtung zum Pleuelschaft
hin, gerichtet, um die Belastbarkeit des Kolbenbolzens insbesondere
bezüglich der im Betrieb auftretenden Gaskräfte
zu optimieren.
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Die
Exzentrizität kann 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60%,
der nominalen Bolzenwanddicke betragen. Die nominale Bolzenwanddicke
ergibt sich aus einem baugleichen Kolbenbolzen mit einer zentrischen
Innenbohrung.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer,
nicht maßstabsgetreuer Darstellung:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kolbens mit einem konventionellen
Kolbenbolzen und dem kleinen Pleuelauge eines Klemmpleuels, teilweise
im Schnitt;
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2a ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzen im Schnitt;
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2b eine
Frontansicht des Kolbenbolzens gemäß 2a;
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3a ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzen im Schnitt;
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3b eine
Frontansicht des Kolbenbolzens gemäß 3a;
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzen im Schnitt;
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5a ein
Werkstück für die Herstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kolbenbolzen im Schnitt;
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5b der
aus dem Werkstück gemäß 5a fertig
hergestellte Kolbenbolzen;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens im Schnitt.
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1 zeigt
beispielhaft einen Kolben 10, der zum besseren Verständnis
der vorliegenden Erfindung mit einem Kolbenbolzen 11 gemäß dem
Stand der Technik mit einer zentrischen Innenbohrung 12 versehen
ist, die eine zentrische Längsachse Z definiert. Als nicht
limitierendes Beispiel wurde ein einteiliger Kolben 10 gewählt.
Der Kolben 10 besteht in an sich bekannter Weise bspw.
aus Stahl oder einer Leichtmetalllegierung. Der Kolben 10 weist
einen Kolbenkopf 13 mit einem ringförmig umlaufenden Feuersteg 14 und
einer Ringpartie 15 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht
dargestellt) auf. Der Kolben 10 weist ferner unterhalb
des Kolbenkopfs 13 einen Kolbenschaft 16 auf.
Der Kolbenschaft 16 weist zwei sich an der Unterseite des
Kolbenkopfs 13 abstützende Nabenanbindungen 17 auf,
die in zwei Kolbennaben 18 mit Nabenbohrungen 19 übergehen.
Der Kolbenbolzen 11 ist in den Nabenbohrungen 19 aufgenommen
und mit dem kleinen Pleuelauge 21 eines Klemmpleuels 20 mittels
eines Presssitzes fest verbunden. Das kleine Pleuelauge 21 ist
mittig auf dem Kolbenbolzen 11 zwischen den Kolbennaben 18 angeordnet
und kann bspw. in an sich bekannter Weise auf den Kolbenbolzen 11 aufgeschrumpft
sein. Der Pleuelschaft 22 des Klemmpleuels 20 ist
in 1 angedeutet.
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Die 2a und 2b zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens 30. Der Kolbenbolzen 30 weist eine
Innenbohrung 31 auf, die im Vergleich zu einer zentrischen
Innenbohrung 12 gemäß 1 in
Richtung des Nadirs 32 des Kolbenbolzens 30 versetzt
ist. Die Innenbohrung 31 ist also in Richtung des Pleuelschafts 22 des
Klemmpleuels 20 versetzt. Die Innenbohrung 31 definiert
eine Längsachse L, die gegenüber der zentrischen
Längsachse Z einer zentrischen Innenbohrung 12 um
die Exzentrizität E versetzt ist. Die Innenbohrung 31 weist
somit die Exzentrizität E auf. Der Wert der Exzentrizität
E wird in Bezug gesetzt zur nominalen Bolzenwanddicke D, d. h. zur Bolzenwanddicke
eines Kolbenbolzens 11 mit zentrischer Innenbohrung 12.
Der Wert der Exzentrizität E beträgt im Ausführungsbeispiel
etwa 30% der nominalen Bolzenwanddicke D. Die Querschnittsform der Innenbohrung 31 ist
beliebig wählbar, vorzugsweise aber rund oder oval. Der
Durchmesser der Innenbohrung 31 kann bei gleich bleibender
Stabilität und Belastbarkeit des Kolbenbolzens 30 größer
gewählt werden als der Durchmesser der Innenbohrung 12 eines
gattungsgemäßen Kolbenbolzens 11.
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Die 3a und 3b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens 130. Der Kolbenbolzen 130 weist
eine Innenbohrung 131 auf, die im Unterschied zum Kolbenbolzen 30 gemäß den 2a und 2b in
ihrem mittigen Bereich 131a zentrisch angeordnet ist und dort
eine zentrische Längsachse Z definiert. An den mittigen
Bereich 131a schließen sich zwei äußere Bereiche 131b, 131c an,
die in Richtung des Nadirs 132 des Kolbenbolzens 130 in
ihrem Durchmesser erweitert sind und eine Längsachse L
mit der Exzentrizität E definieren. Die Querschnittsform
der Innenbohrung 131 ist beliebig wählbar, vorzugsweise
aber rund oder oval.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens 230 mit einer Innenbohrung 231,
die einen zentrischen mittigen Bereich 231a und zwei um
die Exzentrizität E in Richtung des Nadirs 232 versetzte äußere
Bereiche 231b und 231c aufweist. Der Kolbenbolzen 230 unterscheidet
sich vom Kolbenbolzen 130 gemäß den 3a und 3b nur
darin, dass die äußeren Bereiche 231b, 231c der
Innenbohrung 231 schräge Verbindungsflächen 233 zum
mittigen Bereich 231a aufweisen.
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Die 5a und 5b zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens 330 (5b) sowie
ein Werkstück 334 zu dessen Herstellung (5a).
Der Kolbenbolzen 330 weist eine Innenbohrung 331 auf,
die im Vergleich zu einer zentrischen Innenbohrung 12 gemäß 1 lediglich
in einem mittigen Bereich 331a zentrisch angeordnet ist
und dort eine zentrische Längsachse Z definiert. An den
mittigen Bereich 331a schließen sich zwei äußere
Bereiche 331b, 331c an, die in Richtung des Nadirs 332 des
Kolbenbolzens 330 bei konstantem Durchmesser versetzt sind
und eine Längsachse L mit der Exzentrizität E
definieren. Die Querschnittsform der Innenbohrung 331 ist
beliebig wählbar, vorzugsweise aber rund oder oval.
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Der
Kolbenbolzen 330 kann bspw. wie folgt hergestellt werden
(vgl. 5a): Ein mit einer zentrischen
Innenbohrung versehenes Rohrstück (nicht dargestellt) wird
so bearbeitet, dass sein Querschnitt in einem definierten, hier
mittigen Bereich quer zu seiner Längsachse versetzt wird.
Daraus ergibt sich das Werkstück 334 gemäß 5a.
Anschließend wird die Mantelfläche des Werkstücks 334 wieder
in eine zylindrische Form gebracht, bspw. durch spanende Bearbeitung,
woraus der Kolbenbolzen 330 gemäß 5b resultiert.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens 430. Der Kolbenbolzen 430 weist
eine Innenbohrung 431 auf, die in ihrem mittigen Bereich 431a,
vergleichbar zum Kolbenbolzen 30 gemäß den 2a und 2b, in Richtung
des Nadirs 432 des Kolbenbolzens 430, das heißt,
in Richtung des Pleuelschafts 22 des Klemmpleuels 20 versetzt
ist. Der mittige Bereich 431a der Innenbohrung 431 definiert
eine Längsachse L, die gegenüber der zentrischen
Längsachse Z einer zentrischen Innenbohrung 12 um
die Exzentrizität E versetzt ist. An den mittigen Bereich 431a schließen
sich zwei äußere Bereiche 431b, 431c an, die
zur weiteren Massereduzierung zu den freien Enden des Kolbenbolzens 430 hin
konisch, im Ausführungsbeispiel als A-förmiger
Konus, aufgeweitet sind. Andere Konusformen oder exzentrisch aufgeweitete äußere
Bereiche des Kolbenbolzens sind denkbar. Die Querschnittsform der
Innenbohrung 431 ist beliebig wählbar, vorzugsweise
aber rund oder oval.
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Im Übrigen
können die erfindungsgemäßen Kolbenbolzen
und insbesondere der strukturelle Verlauf der Innenbohrungen durch
an sich bekannte spanlose oder spanabhebende Verfahren, insbesondere
Umformverfahren wie bspw. Kaltfließpressen, hergestellt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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