DE102012203744A1

DE102012203744A1 - Kolbenbolzen

Info

Publication number: DE102012203744A1
Application number: DE102012203744A
Authority: DE
Inventors: Manfred Hein
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-09-12
Also published as: CN104160186B; WO2013131939A1; US9404577B2; CN104160186A; US20150136063A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen (1) zur Verbindung eines kleinen Pleuelauges eines Pleuels mit einem Kolben einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolbenbolzen (1) eine Innenbohrung (2) mit einer Exzentrizität (3, h) zur Mantelfläche (4) des Kolbenbolzens (1) aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Exzentrizität (3, h) maximal 0,5mm beträgt, und dass an der Mantelfläche (4) des Kolbenbolzens (1) spiralförmige Schmierrillen (5) angeordnet sind.
Hierdurch kann ein hinsichtlich seiner Festigkeit nicht negativ beeinflusster Kolbenbolzen (1) mit hohem Verschleißwiderstand geschaffen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen zur Verbindung eines kleinen Pleuelauges eines Pleuels mit einem Kolben einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kolben, der über einen derartigen Kolbenbolzen mit einem Pleuel verbunden ist.
Aus der DE 10 2009 032 938 A1 ist ein gattungsgemäßer Kolbenbolzen zur Verbindung des kleinen Pleuelauges eines Klemmpleuels mit einem Kolben einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Kolben Nabenbohrungen zur Aufnahme des Kolbenbolzens und wobei der Kolbenbolzen eine Innenbohrung aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Innenbohrung eine Exzentrizität zur Mantelfläche des Kolbenbolzens aufweist, die es erlaubt, das Volumen der Innenbohrung größer auszuführen und dadurch eine Materialersparnis, insbesondere auch eine Gewichtsersparnis, zu erreichen.
Aus der US 2,849,265 ist ein weiterer gattungsgemäßer Kolbenbolzen bekannt. Aus der US 3,053,595 B ist ein Kolbenbolzen mit einer exzentrischen Innenbohrung bekannt. Das Pleuel und der Kolbenbolzen sind dabei von zwei Schrauben drehfest miteinander verbunden.
Üblicherweise verbindet der Kolbenbolzen das Pleuel mit dem Kolben der Brennkraftmaschine, wobei das Pleuel wiederum den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet. Das dem Kolben zugewandte kleine Pleuelauge des Pleuels ist dabei fluchtend zu Nabenbohrungen angeordnet, die in am Kolben vorgesehenen Bolzennaben eingebracht sind. 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.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Kolbenbolzen der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine erhöhte Verschleißbeständigkeit aufweist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Kolbenbolzen zur Verbindung eines kleinen Pleuelauges eines Pleuels mit einem Kolben einer Brennkraftmaschine eine den Kolbenbolzen in Axialrichtung durchsetzende Innenbohrung mit einer Exzentrizität zur Mantelfläche des Kolbenbolzens vorzusehen, wobei diese Exzentrizität erfindungsgemäß maximal 0,5 mm, das heißt wenige Zehntel Millimeter beträgt und dadurch die mechanische Festigkeit des Kolbenbolzens nicht negativ beeinflusst. Die vorgesehene Exzentrizität von wenigen Zehntel Millimeter reicht jedoch bereits aus, um insbesondere bei höheren Drehzahlen eine Rotation des Kolbenbolzens durch entsprechende Trägheitskräfte zu bewirken. Zusätzlich sind an der Mantelfläche des Kolbenbolzens spiralförmige Schmierrillen angeordnet, die bei einem trägheitsbedingten Drehen des Kolbenbolzens eine Schmierung desselben in den Nabenbohrungen bzw. im kleinen Pleuelauge des Pleuels bewirken und dadurch die Verschleißbeständigkeit erheblich erhöhen. Die Schmierrillen wiederum können dabei eine Tiefe von wenigen Hundertstel Millimeter aufweisen, wobei selbst eine so geringe Tiefe bereits ausreicht, eine ausreichende Schmierung des Kolbenbolzens in den Nabenbohrungen des Kolbens und im kleinen Pleuelauge zu bewirken. Wird der Kolbenbolzen bei der Hubbewegung des Kolbens im Betrieb der Brennkraftmaschine beschleunigt oder verzögert, wirkt aufgrund des exzentrischen Massenschwerpunkts eine Kraft mit einem geringen Hebelarm, die zu einem Drehmoment und damit zur Rotation des Kolbenbolzens führt. Durch die Rotation kann zusätzlich der vorteilhafte Effekt bewirkt werden, dass sich ein Verschleiß am Kolbenbolzen gleichmäßig über den gesamten Umfang des Kolbenbolzens verteilt, wodurch dessen Verschleißbeständigkeit insgesamt wiederum erhöht werden kann.
Zweckmäßig ist der Kolbenbolzen mit einem Gleitlack, insbesondere mit einem Tribocoat^® und/oder mit einem amorphen Kolbenstoff, insbesondere mit einem Diamond-like-Carbon (DLC) beschichtet. Um eine mögliche Bewegung des Kolbenbolzens innerhalb des Pleuels und insbesondere innerhalb der Pleuelöffnung und/oder innerhalb der Nabenbohrung im Kolben zu vereinfachen bzw. eine Reibung zu reduzieren ist dabei die reibungsreduzierende erfindungsgemäße Beschichtung vorgesehen. DLC-Beschichtungen sind amorphore Kohlenstoffschichten, welche neben einer Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eine reibungsreduzierende Wirkung entfalten.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine schematische Darstellung der Exzentrizität an einem erfindungsgemäßen Kolbenbolzen,
2 eine Schnittdarstellung sowie eine Axialansicht auf den erfindungsgemäßen Kolbenbolzen,
3 eine Seitenansicht auf den erfindungsgemäßen Kolbenbolzen. Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Kolbenbolzen 1 zur Verbindung eines kleinen Pleuelauges eines nicht gezeigten Pleuels mit einem Kolben einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine eine Innenbohrung 2 mit einer Exzentrizität 3 zur Mantelfläche 4 des Kolbenbolzens 1 auf. Erfindungsgemäß beträgt nun die Exzentrizität 3 maximal 0,5 mm, das heißt wenige Zehntel Millimeter, die jedoch bereits dazu ausreichen, dass der Kolbenbolzen 1 bei der Hubbewegung des Kolbens beschleunigt und verzögert wird und dadurch aufgrund des exzentrischen Massenschwerpunkts G₁ eine Kraft F mit dem Hebelarm h zu einem Drehmoment M und damit zu einer Rotation des Kolbenbolzens 1 führt. Die Exzentrizität 3, die dem Hebelarm h entspricht, sorgt für eine Verschiebung des Massenschwerpunkts von ursprünglich G zu G₁. Wie der Name bereits sagt, wird die Innenbohrung 2 mittels Bohrer hergestellt und ist üblicherweise zylinderförmig ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch eine konische Ausbildung der Innenbohrung vorstellbar. Die Exzentrizität 3 kann beispielsweise mittels eines Drehwerkzeugs oder mittels Kalt- oder Warmfließpressen hergestellt werden. Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass sich die Exzentrizität 3 über lediglich einen mittleren Bereich b des Kolbenbolzens 1 erstreckt, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass sich die Exzentrizität 3 über die gesamte axiale Länge des Kolbenbolzens 1 erstreckt oder lediglich seitlich, das heißt an einem Längsende, angeordnet ist. Als zweites wesentliches Merkmal sind an der Mantelfläche 4 des Kolbenbolzens 1 spiralförmige Schmierrillen 5 (vgl. 3) angeordnet, die eine Tiefe von lediglich wenigen Hundertstel Millimeter besitzen. Selbst diese geringe Tiefe bewirkt bereits eine Förderung von Schmieröl, wodurch die Reibung, das heißt ein Reibwiderstand, des Kolbenbolzens 1 in den Nabenbohrungen des Kolbens bzw. im kleinen Pleuelauge reduziert werden kann.
Um die Reibung weiter zu reduzieren, kann der Kolbenbolzen 1 an seiner Mantelfläche 4 zusätzlich oder alternativ mit einem Gleitlack, insbesondere mit einem Tribocoat^® und/oder mit einem amorphen Kohlenstoff, insbesondere mit einem Diamond-like-Carbon (DLC), beschichtet sein. Derartige Beschichtungen reduzieren die Reibwirkung und verbessern zusätzlich die Verschleißbeständigkeit.
Durch den verschobenen Masseschwerpunkt G₁ und das hieraus resultierende Drehmoment M wird der Kolbenbolzen 1 während des Betriebs der Brennkraftmaschine stetig gedreht, wodurch ein Aufgießen einwirkender Verschleiß gleichförmig am Umfang des Kolbenbolzens 1 verteilt wird. Eine einseitige und besonders belastende Reibung kann hierdurch ausgeschlossen werden.
Der Kolbenbolzen 1 besitzt üblicherweise einen Durchmesser von 2 bis 4 cm, je nach Größe des zugehörigen Kolbens. Die Exzentrizität 3 kann wie gesagt mittig, einseitig oder im Schnitt auch stufenförmig ausgestaltet sein, wobei die innere Ausnehmung 6, die die Exzentrizität 3 darstellt, beispielsweise durch Bohren bzw. Drehen hergestellt werden kann. Ebenfalls denkbar ist, dass die innere Ausnehmung 6 des Kolbenbolzens 1 durch Kalt- oder Warmfließpressen hergestellt wird, wobei von beiden Seiten des Kolbenbolzens 1 Dornen in das Bolzenvollmaterial eingepresst werden. Generell kann so auch die Innenbohrung 2 hergestellt werden, also anders als der Name "Bohrung" vermuten lässt.
Von besonderem Vorteil bei der geringen Exzentrizität 3 und bei der vergleichsweise geringen Tiefe der Ausnehmung 6 ist, dass die mechanische Festigkeit des Kolbenbolzens 1 erhalten bleibt. Die nur wenige Zehntel Millimeter große Exzentrizität 3 reicht jedoch aus, um insbesondere bei höheren Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine für die Rotation des Kolbenbolzens 1 ausreichende Trägheitskraft F zu bewirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009032938 A1 [0002]
US 2849265 [0003]
US 3053595 B [0003]

Claims

Kolbenbolzen (1) zur Verbindung eines kleinen Pleuelauges eines Pleuels mit einem Kolben einer Brennkraftmaschine, wobei der Kolbenbolzen (1) eine Innenbohrung (2) mit einer Exzentrizität (3, h) zur Mantelfläche (4) des Kolbenbolzens (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Exzentrizität (3, h) maximal 0,5mm beträgt, – dass an der Mantelfläche (4) des Kolbenbolzens (1) spiralförmige Schmierrillen (5) angeordnet sind.
Kolbenbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (3, h) maximal 0,2 mm beträgt.
Kolbenbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität (3, h) bzw. eine diese begründende Ausnehmung (6) mittels Kalt- oder Warmfließpressen hergestellt ist.
Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenbohrung (2) zylinderförmig oder konisch ausgebildet ist.
Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Exzentrizität (3, h) über lediglich einen mittleren Bereich (b) der Innenbohrung (2) erstreckt.
Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierrillen (5) eine Tiefe von wenigen Hundertstel Millimeter aufweisen.
Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen (1) mit einem Gleitlack, insbesondere mit einem Tribocoat^®, und/oder mit einem amorphen Kohlenstoff, insbesondere mit einem Diamond-like Carbon (DLC), beschichtet ist.
Brennkraftmaschine mit zumindest einem Kolben, der über einen Kolbenbolzen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem Pleuel verbunden ist.