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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungseinheit aus einem Kolbenbolzen und dem kleinen Pleuelauge einer Pleuelstange, für einen Kolben eines Verbrennungsmotors.
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Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor weist Bolzennaben mit Nabenbohrungen auf, in die ein Kolbenbolzen aufgenommen ist. Eine Pleuelstange verbindet den Kolbenbolzen mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, so dass die Bewegung des Kolbens im Motorbetrieb auf die Kurbelwelle übertragen wird. Dabei muss der Kolbenbolzen gegen ein axiales Verschieben in Richtung seiner Mittelachse gesichert sein. Dies geschieht in der Regel mit Sprengringen, die in Nuten in den Nabenbohrungen aufgenommen sind.
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Aus dem Patent
US 3 380 789 ist eine gattungsgemäße Verbindungseinheit bekannt, bei der das kleine Pleuelauge der Pleuelstange mit dem Kolbenbolzen verschraubt ist, um Relativbewegungen des kleinen Pleuelauges der Pleuelstange gegenüber dem Kolbenbolzen zu vermeiden. Dadurch ergibt sich auch eine Sicherung des Kolbenbolzens gegen ein axiales Verschieben in den Bolzennaben. Nachteilig ist hierbei der Material- und Zeitaufwand, den das Verschrauben des Kolbenbolzens mit dem kleinen Pleuelauge der Pleuelstange mit sich bringt und der Umstand, dass das Verschrauben zu einer sehr starren Konstruktion führt. Außerdem wird das Gewicht der Verbindungseinheit erhöht. All das führt zu einer Verteuerung des aus dem Stand der Technik bekannten Kolbens.
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Das Patent
GB 954 003 beschreibt eine Vorrichtung zur axialen Sicherung eines Kolbenbolzens, bei der ein elastisches Sicherungselement klemmend zwischen dem kleinen Pleuelauge und einer Bolzennabe aufgenommen ist und in einer im Kolbenbolzen vorgesehen Nut gehalten werden kann. Diese Vorrichtung ist umständlich zu montieren. Außerdem besteht die Gefahr, dass sich das Sicherungselement im Motorbetrieb löst, da es lediglich klemmend gehalten ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine gattungsgemäße Verbindungseinheit so weiterzuentwickeln, dass sie eine zuverlässige Sicherung des Kolbenbolzens gegen axiales Verschieben gewährleistet sowie einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Die Lösung besteht darin, dass der Kolbenbolzen entlang seiner äußeren Mantelfläche eine umlaufende Nut aufweist, dass die Innenfläche der Bohrung des kleinen Pleuelauges eine umlaufende korrespondierende Nut aufweist, derart, dass die beiden Nuten einen umlaufenden Kanal bilden, dass in den Kanal ein Sicherungselement in Form von benachbart angeordneten Rollkörpern und/oder Gleitkörpern aufgenommen ist und dass das kleine Pleuelauge eine in den Kanal mündende Bohrung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Verbindungseinheit zeichnet sich dadurch aus, dass das Sicherungselement nicht lediglich klemmend gehalten, sondern in einem Kanal aufgenommen ist, der von korrespondierenden Nuten gebildet ist, die im kleinen Pleuelauge und im Kolbenbolzen eingearbeitet sind. Somit ist das Sicherungselement auch im Motorbetrieb zuverlässig gehalten. Das Sicherungselement kann durch die Bohrung in den Kanal eingeschoben werden. Die Ausgestaltung des Sicherungselements als eine Anzahl von Rollkörpern und/oder Gleitkörpern bewirkt, dass das Einschieben des Sicherungselements in den Kanal nur einen geringen Kraftaufwand erfordert. Relativbewegungen zwischen der Pleuelstange und dem Kolbenbolzen werden zuverlässig vermieden. Damit ist der Kolbenbolzen gegen ein axiales Verschieben in den Bolzennaben gesichert und kann sich zugleich frei um seine Mittelachse drehen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Kanal kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wobei ein runder, ovaler oder viereckiger Querschnitt bevorzugt ist. In jedem Fall ist es zweckmäßig, dass die Rollkörper und/oder Gleitkörper einen dem Querschnitt des Kanals entsprechenden Querschnitt aufweisen, damit sie auf möglichst einfache und kraftsparende Weise in den Kanal eingeschoben werden können. Geeignete Rollkörper bzw. Gleitkörper sind bspw. Kugeln, Ellipsoide, Drehparaboloide oder torusförmige Roll- bzw. Gleitkörper.
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Das Sicherungselement kann bspw. in Form von Rollkörpern oder Gleitkörpern ausgebildet sein, die lose und aneinander liegend im Kanal aufgenommen sind. Der Kanal wird nach dem Einschieben der Roll- bzw. Gleitkörper selbstverständlich dauerhaft oder reversibel verschlossen.
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Das Sicherungselement kann aber auch in Form von Gleitkörpern ausgebildet sein, die hintereinander liegend in einem Trägermaterial angeordnet und in Form eines zusammenhängenden Gliederbandes im Kanal aufgenommen sind. Dieses Sicherungselement kann in den Kanal eingeschoben und gesichert werden, ohne dass der Kanal verschlossen werden muss, so dass sowohl die Montage als auch die Demontage besonders einfach durchzuführen sind.
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Vorzugsweise sind die Gleitkörper in einem Trägermaterial aus Kunststoff angeordnet, so dass ein besonders festes, aber elastisches Gliederband gebildet ist.
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Die im kleinen Pleuelauge vorgesehene Bohrung mündet zweckmäßigerweise tangential in den Kanal, so dass das Einschieben des Sicherungselements weiter vereinfacht wird.
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Das Sicherungselement kann die Bohrung vollständig durchsetzen, um seine Demontage zu vereinfachen. Wenn Roll- bzw. Gleitkörper vorgesehen sind, die lose und aneinander liegend im Kanal und in der Bohrung aufgenommen sind, ist die Bohrung zweckmäßigerweise mit einem Verschlusselement dauerhaft oder reversibel verschlossen. Wenn Gleitkörper vorgesehen sind, die hintereinander liegend in einem Trägermaterial angeordnet und in Form eines zusammenhängenden Gliederbandes im Kanal und in der Bohrung aufgenommen sind, ist ein Verschließen der Bohrung nicht notwendig. Es ist aber zweckmäßig, dass ein Ende des Gliederbandes aus der Bohrung herausragt und an der Pleuelstange, bspw. am Pleuelschaft, festgelegt ist, um es während des Motorbetriebs zu fixieren.
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Die Rollkörper bzw. Gleitkörper bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff. Ein Stahlwerkstoff ist hierfür besonders gut geeignet.
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Der Kolbenbolzen ist zur Gewichtsersparnis bevorzugt hohlzylinderförmig ausgebildet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass im Bereich des Kanals eine umlaufende und radial nach innen weisende Verdickung vorgesehen ist, um eine Querschnittsverringerung in der Wand des hohlzylinderförmigen Kolbenbolzens zu vermeiden und die Stabilität des Kolbenbolzen zu vermeiden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungseinheit;
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2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch die Verbindungseinheit gemäß 1 entlang der Linie II-II in 1.
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1 zeigt einen Kolben 10 für einen Verbrennungsmotor, der mit einer erfindungsgemäßen Verbindungseinheit 20 aus einem Kolbenbolzen 21 und einem kleinen Pleuelauge 23 einer Pleuelstange 22 versehen ist. Der Kolben 10 ist im Ausführungsbeispiel ein zweiteiliger Kolben und weist ein Ringelement 11a und ein Basiselement 11b auf. Der Kolben 10 weist einen Kolbenboden 12 mit einer Verbrennungsmulde 13 auf. An den Kolbenboden 12 schließt sich ein umlaufender Feuersteg 14 und eine umlaufende Ringpartie 15 mit Kolbenringnuten 16 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Im Bereich der Ringpartie 15 ist ein umlaufender Kühlkanal 17 vorgesehen. Unterhalb des Kolbenbodens 12 sind Bolzennaben 18 angebunden, die mit Nabenbohrungen 19 versehen sind. In den Nabenbohrungen 19 ist ein hohlzylinderförmiger Kolbenbolzen 21 zur Halterung einer Pleuelstange 22 aufgenommen. Die Mittelachse des Kolbenbolzens 21 ist mit M bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf den im Ausführungsbeispiel dargestellten Kolbentyp begrenzt, sondern für alle Kolbenbauarten geeignet.
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Die erfindungsgemäße Verbindungseinheit 20 setzt sich zusammen aus dem Kolbenbolzen 21 und dem kleinen Pleuelauge 23 einer Pleuelstange 22. Das kleine Pleuelauge 23 ist zwischen den Bolzennaben 18 angeordnet und von den Innenflächen 18a der Bolzennaben 18 mit einem Spiel von im Ausführungsbeispiel 50 μm bis 200 μm geführt.
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Die erfindungsgemäße Verbindungseinheit 20 kann selbstverständlich auch mit einem Trapezpleuel oder einem Stufenpleuel verwirklicht werden.
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Wie den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist der Kolbenbolzen 21 im montierten Zustand von den Nabenbohrungen 19 und der Bohrung 26 im kleinen Pleuelauge 23 aufgenommen. Die äußere Mantelfläche 24 des Kolbenbolzens 21 weist eine umlaufende und im Ausführungsbeispiel im Schnitt halbkreisförmige Nut 25 auf, die im Ausführungsbeispiel mittig angeordnet ist und senkrecht zur Mittelachse M des Kolbenbolzens 21 verläuft. Die Nut kann aber auch unter einem spitzen Winkel zur Mittelachse M verlaufen (nicht dargestellt). Aus Stabilitätsgründen weist der hohlzylinderförmige Kolbenbolzen 21 im Bereich der Nut 25 eine in das Innere des Kolbenbolzens 21 gerichtete, umlaufende Verdickung 21a auf.
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Die Innenfläche 27 der Bohrung 26 des kleinen Pleuelauges 23 weist eine zur Nut 25 des Kolbenbolzens 21 korrespondierende Nut 28 auf, die im Ausführungsbeispiel im Schnitt ebenfalls halbkreisförmig ausgebildet ist und im montierten Zustand der Nut 25 des Kolbenbolzens 21 gegenüberliegt.
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Die beiden Nuten 25, 28 bilden somit im montierten Zustand der erfindungsgemäßen Verbindungseinheit einen umlaufenden und im Ausführungsbeispiel im Querschnitt runden Kanal 29. Der Kanal 29 verläuft im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Mittelachse M des Kolbenbolzens 21. Der Kanal kann aber auch unter einem spitzen Winkel zur Mittelachse M verlaufen (nicht dargestellt).
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2 ist zu entnehmen, dass das kleine Pleuelauge 23 eine im Ausführungsbeispiel tangential in den Kanal 29 mündende Bohrung 31 aufweist, die wegen der Lage der Schnittebene in 1 nicht dargestellt ist. Die Bohrung 31 ist im Ausführungsbeispiel teilweise mit einem Gewinde versehen.
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In den Kanal 29 ist ein Sicherungselement 32 aufgenommen. Das Sicherungselement 32 ist im Ausführungsbeispiel als Vielzahl von einzelnen Rollkörpern 33 in Form von Stahlkugeln ausgebildet, die im Kanal 29 und in der Bohrung 31 aufgenommen sind. Die Bohrung 31 ist mit einem Verschlusselement, im Ausführungsbeispiel mit einer Schraube, verschlossen. Dadurch wird verhindert, dass die Rollkörper 33 aus dem Kanal 29 bzw. der Bohrung 31 herausrollen. Die Rollkörper 33 liegen im Kanal 29 mit möglichst geringem Spiel dicht nebeneinander, um eine besonders zuverlässige Sicherung des Kolbenbolzens 21 gegen axiales Verschieben zu gewährleisten. Die Querschnitte der Rollkörper 33 entsprechen dem Querschnitt des Kanals 29. Die Durchmesser des Kanals 29 und der Rollkörper 33 sind so bemessen, dass die Rollkörper 33 leicht in den Kanal 29 eingeführt werden können, im Kanal 29 selbst aber möglichst wenig Spiel haben. Der Durchmesser der Rollkörper 33 ist somit geringfügig geringer als der Durchmesser des Kanals 29.
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Anstelle von Rollkörpern können auch Gleitkörper zum Einsatz kommen. Die Gleitkörper können auch in einem Trägermaterial, bspw. Kunststoff, aufgenommen sein, so dass sie mit dem Trägermaterial ein zusammenhängendes Gliederband bilden, welches als Ganzes in den Kanal 29 eingeschoben werden kann (nicht dargestellt). Das freie Ende des Gliederbandes kann aus der Bohrung 31 herausragen und an der Pleuelstange 22 festgelegt sein (nicht dargestellt).
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Zur Montage des Kolbens 10 wird die Pleuelstange 22 in die in den 1 und 2 dargestellte Position gebracht. Der Kolbenbolzen 21 wird in die Nabenbohrungen 19 und die Bohrung 26 des kleinen Pleuelauges 23 eingeschoben und in der in 1 dargestellten Position gehalten, derart, dass die Nuten 25, 28 zur Deckung gebracht sind. Danach wird das Sicherungselement 32 über die Bohrung 31 in den umlaufenden Kanal 29 eingeschoben.
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Hierdurch wird die Position des Kobenbolzens 21 gegenüber dem kleinen Pleuelauge 23 fixiert, d. h. es ist keine Relativbewegung zwischen dem Kolbenbolzen 21 und dem kleinen Pleuelauge 23 möglich. Da das kleine Pleuelauge 23 von den Innenflächen 18a der Bolzennaben 18 mit einem Spiel von im Ausführungsbeispiel 50 μm bis 200 μm geführt ist, erfährt der Kolbenbolzen 21 eine Sicherung gegen ein axiales Verschieben in Richtung seiner Mittelachse M.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3380789 [0003]
- GB 954003 [0004]
