DE102015210356A1 - Anti-rotation device for a piston in the cylinder of an engine - Google Patents
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Abstract
Kraftmaschine (1), umfassend einen Zylinder (2) und einen innerhalb des Zylinders (2) entlang der Längsachse (21) des Zylinders (2) beweglichen Kolben (3), eine Welle (4), die durch eine Antriebsquelle (5) in eine Drehbewegung um die Längsachse (41) der Welle (4) versetzbar ist, sowie ein im Kraftschluss zwischen der Welle (4) und dem Kolben (3) angeordnetes Lager (6, 7, 8) zur Umwandlung einer Drehbewegung der Welle (4) in eine Bewegung des Kolbens (3) entlang der Längsachse (21) des Zylinders (2), ferner umfassend eine Verdrehsicherung (100) zur Blockierung einer Drehbewegung des Kolbens um die Längsachse (21) des Zylinders (2), wobei die Verdrehsicherung (100) ein aus dem Innenraum (22) des Zylinders (2) in eine Aufnahme (103) in der Innenwandung (23) des Zylinders (2) geführtes Führungselement (101) umfasst, welches in eine parallel zur Längsachse (31) des Kolbens (3) verlaufende Aussparung (102) am Außenumfang (32) des Kolbens (3) eingreift.An engine (1) comprising a cylinder (2) and a piston (3) movable within the cylinder (2) along the longitudinal axis (21) of the cylinder (2), a shaft (4) driven by a drive source (5) a rotational movement about the longitudinal axis (41) of the shaft (4) is displaceable, as well as a frictionally engaged between the shaft (4) and the piston (3) bearing (6, 7, 8) for converting a rotational movement of the shaft (4) in a movement of the piston (3) along the longitudinal axis (21) of the cylinder (2), further comprising an anti-rotation device (100) for blocking a rotational movement of the piston about the longitudinal axis (21) of the cylinder (2), wherein the anti-rotation device (100 ) comprises a guided from the interior (22) of the cylinder (2) in a receptacle (103) in the inner wall (23) of the cylinder (2) guiding element (101) which in a parallel to the longitudinal axis (31) of the piston (3 ) extending recess (102) on the outer circumference (32) of the piston (3) engages.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftmaschinen zur Umwandlung einer Drehbewegung aus einer Antriebsquelle in eine lineare Bewegung eines Kolbens innerhalb eines Zylinders. The present invention relates to engines for converting rotary motion from a drive source into linear motion of a piston within a cylinder.
Stand der Technik State of the art
In einer Radialkolbenpumpe wird ein Fluid durch Hin- und Herbewegung eines Kolbens innerhalb eines Zylinders unter Druck gesetzt. Die Antriebsquelle einer solchen Pumpe treibt eine Drehbewegung eines Exzenterkörpers an, der beispielsweise einen Außenumfang hat, entlang dessen der radiale Abstand zur Längsachse der Antriebswelle variabel ist. Liegt eine am Kolben drehbar gelagerte Rolle am Außenumfang eines solchen Exzenterkörpers an, kann durch die Veränderung des radialen Abstands eine Drehbewegung des Exzenterkörpers in eine lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens umgewandelt werden. In a radial piston pump, a fluid is pressurized by reciprocation of a piston within a cylinder. The drive source of such a pump drives a rotational movement of an eccentric body having, for example, an outer circumference along which the radial distance to the longitudinal axis of the drive shaft is variable. If a roller rotatably mounted on the piston bears on the outer circumference of such an eccentric body, a rotational movement of the eccentric body can be converted into a linear reciprocating motion of the piston by changing the radial distance.
Bei dieser Antriebsart kann sich der Kolben unerwünschterweise um seine eigene Achse drehen. Dies kann zur Folge haben, dass sich die Lauffläche der Rolle mit dem Außenumfang des Exzenterkörper verkantet und die Pumpe komplett blockiert wird. Daher ist es wünschenswert, den Kolben gegen solches unerwünschtes Verdrehen zu sichern. In this type of drive, the piston may undesirably rotate about its own axis. This can have the result that the running surface of the roller canted with the outer circumference of the eccentric body and the pump is completely blocked. Therefore, it is desirable to secure the piston against such undesirable twisting.
Eine derartige Sicherung ist beispielsweise aus der
Weiterhin ist es auch bekannt, den Kolben mit einer Führungsnut zu versehen und einen von außen durch die Zylinderwand eingepressten Stift in diese Führungsnut eingreifen zu lassen. Die auf diese Weise geschaffene Verbindung zwischen dem Zylinderinnenraum und der Außenwelt muss dann druckfest abgedichtet werden. In Dieseleinspritzpumpen treten Drücke bis zu mehreren 1000 bar auf.Furthermore, it is also known to provide the piston with a guide groove and to allow an externally pressed by the cylinder wall pin to engage in this guide. The created in this way connection between the cylinder interior and the outside world must then be pressure-tight sealed. In diesel injection pumps, pressures of up to several 1000 bar occur.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Fertigung von Verdrehsicherungen für Kolben in Zylindern von Kraftmaschinen zu vereinfachen. The present invention is directed to simplifying the manufacture of anti-rotation devices for pistons in cylinders of engines.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Kraftmaschine entwickelt. Diese umfasst einen Zylinder und einen innerhalb des Zylinders entlang der Längsachse des Zylinders beweglichen Kolben. Sie weist außerdem eine Welle auf, die durch eine Antriebsquelle in eine Drehbewegung um die Längsachse der Welle versetzbar ist. Im Kraftschluss zwischen der Welle und dem Kolben ist ein Lager zur Umwandlung einer Drehbewegung der Welle in eine Bewegung des Kolbens entlang der Längsachse des Zylinders angeordnet. Zur Blockierung einer Drehbewegung des Kolbens um die Längsachse des Zylinders ist weiterhin eine Verdrehsicherung vorgesehen. In the context of the invention, an engine was developed. This includes a cylinder and a piston movable within the cylinder along the longitudinal axis of the cylinder. It also has a shaft which is displaceable by a drive source in a rotational movement about the longitudinal axis of the shaft. In the frictional connection between the shaft and the piston, a bearing for converting a rotational movement of the shaft into a movement of the piston along the longitudinal axis of the cylinder is arranged. To block a rotational movement of the piston about the longitudinal axis of the cylinder, an anti-rotation device is further provided.
Erfindungsgemäß umfasst die Verdrehsicherung ein aus dem Innenraum des Zylinders in eine Aufnahme in der Innenwandung des Zylinders geführtes Führungselement, welches in eine parallel zur Längsachse des Kolbens verlaufende Aussparung am Außenumfang des Kolbens eingreift. According to the invention, the anti-rotation device comprises a guide element guided from the interior of the cylinder into a receptacle in the inner wall of the cylinder, which engages in a recess running parallel to the longitudinal axis of the piston on the outer circumference of the piston.
Es wurde erkannt, dass diese Maßnahmen den Aufwand für die Fertigung der Kraftmaschine deutlich vermindern. Die Innenwand des Zylinders ist lediglich an einer Stelle zu modifizieren, um die Aufnahme einzubringen. Am Kolben ist durch die Fertigung der Aussparung der Bereich festzulegen, in dem sich im Betrieb das Führungselement relativ zum Kolben bewegen kann. Diese Bearbeitung kann erfolgen, bevor der Kolben in den Zylinder eingesetzt wird. Beispielsweise können der Kolben und der Zylinder zunächst separat voneinander gefertigt, dann zusammengeführt und schließlich durch Einführen des Führungselements in seine Aufnahme miteinander verbunden werden.It has been recognized that these measures significantly reduce the cost of manufacturing the engine. The inner wall of the cylinder is only to be modified in one place to bring the recording. On the piston, the production of the recess defines the region in which the guide element can move relative to the piston during operation. This machining can be done before the piston is inserted into the cylinder. For example, the piston and the cylinder can first be manufactured separately from one another, then brought together and finally connected to one another by inserting the guide element into its receptacle.
Die Vereinfachung der Fertigung gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich insbesondere daraus, dass der Zerspanungsaufwand deutlich vermindert ist. Die Aufnahme in der Innenwandung des Zylinders kann beispielsweise eine Bohrung mit oder ohne Gewinde sein, die mit vorhandenem Standardwerkzeug herstellbar ist. Die Aussparung am Außenumfang des Kolbens kann beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden; auch hier kann vorhandenes Standardwerkzeug verwendet werden. Als Führungselement kann ein Normhalbzeug, wie beispielsweise eine Schraube oder ein Stift, verwendet werden. Eine vorhandene Kraftmaschine lässt sich durch Einbringen der Aufnahme, der Aussparung sowie des Führungselements zu einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine umrüsten, ohne dass hierfür ein besonderer Entwicklungsaufwand notwendig wäre.The simplification of the production compared to the prior art results in particular from the fact that the machining effort is significantly reduced. The receptacle in the inner wall of the cylinder, for example, be a bore with or without thread, which can be produced with existing standard tool. The recess on the outer circumference of the piston can be produced for example by milling; here also existing standard tool can be used. As a guide element, a standard semi-finished product, such as a screw or a pin can be used. An existing engine can be converted by introducing the receptacle, the recess and the guide element to an engine according to the invention, without requiring a special development effort would be necessary.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Aussparung eine Nut und/oder ein Fenster in einer den Außenumfang des Kolbens bildenden Wandung. Derartige Aussparungen lassen sich im ausgebauten Zustand des Kolbens sehr einfach herstellen. Besonders vorteilhaft ist das Fenster entlang des Außenumfangs des Kolbens sowohl in axialer Richtung parallel zur Längsachse des Kolbens als auch in der hierzu senkrechten tangentialen Richtung durch das Material der Wandung des Kolbens begrenzt. Die Begrenzung in axialer Richtung legt dann zum Einen den maximalen Hub des Kolbens fest und verhindert zum Anderen ein Entfernen des Kolbens aus dem Zylinder. Die Begrenzung in tangentialer Richtung bewirkt die eigentliche Verdrehsicherung. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the recess is a groove and / or a window in a wall forming the outer circumference of the piston. Such recesses can be very easily produced in the disassembled state of the piston. Particularly advantageously, the window along the outer circumference of the piston is limited both in the axial direction parallel to the longitudinal axis of the piston and in the tangential direction perpendicular thereto by the material of the wall of the piston. The limitation in the axial direction then determines the maximum stroke of the piston and prevents the piston from being removed from the cylinder. The limit in the tangential direction causes the actual rotation.
Vorteilhaft ist das Führungselement aus dem Innenraum des Kolbens heraus durch das Fenster in die Aufnahme in der Innenwandung des Zylinders geführt. Die verdrehgesicherte Verbindung des Kolbens mit dem Zylinder reduziert sich dann auf einen einzigen Arbeitsgang, beispielsweise auf das Eindrehen einer Schraube oder das Einpressen eines Stiftes in die Aufnahme. Advantageously, the guide element is guided out of the interior of the piston through the window into the receptacle in the inner wall of the cylinder. The non-rotating connection of the piston with the cylinder is then reduced to a single operation, such as screwing a screw or pressing a pin into the receptacle.
In einer besonders vorteilshaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Führungselement lösbar mit der Aufnahme der in der Innenwandung des Zylinders verbunden. Unter „lösbar“ im Kontext der Erfindung wird insbesondere „zerstörungsfrei lösbar“ verstanden, was bedeutet, dass sowohl die Aufnahme als auch das Führungselement nach dem Lösen der Verbindung ein weiteres Mal verwendet werden können. Zu diesem Zweck kann das Führungselement insbesondere eine Schraube, beispielsweise eine Zylinderkopfschraube, sein. Die Aufnahme kann dann vorteilhaft eine Bohrung mit einem zu der Schraube korrespondierenden Innengewinde sein. Die Platzierung der Aufnahme an der Innenwandung des Zylinders, die Platzierung des hierzu korrespondierenden Fensters an der Wandung des Kolbens sowie der Winkel, unter dem die Bohrung in die Innenwandung des Zylinders eintritt, richten sich primär nach der Erreichbarkeit mit Werkzeug für das Einbringen des Führungselements in die Bohrung. Der Zylinder weist typischerweise einen Innendurchmesser in der Größenordnung 30 mm auf, kann aber auch andere Maße haben. Eine lösbare Verbindung des Führungselements mit der Aufnahme bietet den Vorteil, dass der Kolben sich im Nachhinein wieder aus dem Zylinder entfernen lässt. Falls beispielsweise eine am Exzenterkörper gelagerte Rolle oder die drehbare Lagerung einer solchen Rolle am Kolben versagt, ist die Rolle für einen Austausch einfach zugänglich. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the guide element is detachably connected to the receptacle in the inner wall of the cylinder. By "releasable" in the context of the invention is meant in particular "non-destructively releasable", which means that both the receptacle and the guide element after releasing the connection can be used again. For this purpose, the guide element may in particular be a screw, for example a cylinder head screw. The recording can then advantageously be a bore with a screw corresponding to the internal thread. The placement of the receptacle on the inner wall of the cylinder, the placement of the corresponding window on the wall of the piston and the angle at which the bore enters the inner wall of the cylinder, are primarily based on the availability of tools for introducing the guide element in the hole. The cylinder typically has an internal diameter of the order of 30 mm, but may also have other dimensions. A releasable connection of the guide element with the receptacle has the advantage that the piston can be removed from the cylinder in retrospect. For example, if a roller mounted on the eccentric body or the rotatable mounting of such a roller on the piston fails, the roller is easily accessible for replacement.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Aufnahme eine aus dem Innenraum des Zylinders in die Innenwandung des Zylinders geführte Bohrung, die in der Innenwandung des Zylinders endet. Dafür muss der Zylinder lediglich von der Grundfläche aus zugänglich sein, durch die auch der Kolben eingeführt wird. Beengte Platzverhältnisse in der Umgebung des Zylinders stellen kein Hindernis dar. Die Bohrung ist durch die Innenwandung des Zylinders von der Außenwelt abgeschottet und benötigt daher keine Dichtung. Damit wird insbesondere bei einer Hochdruckpumpe eines Dieseleinspritzsystems ein erheblicher Aufwand eingespart. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the receptacle is guided from the interior of the cylinder into the inner wall of the cylinder bore, which ends in the inner wall of the cylinder. For this, the cylinder only has to be accessible from the base area, through which the piston is also introduced. Narrow space in the vicinity of the cylinder is not an obstacle. The bore is sealed off from the outside world by the inner wall of the cylinder and therefore does not require a seal. Thus, a considerable effort is saved, especially in a high-pressure pump of a diesel injection system.
Vorteilhaft umfasst das Lager im Kraftschluss zwischen der Welle und dem Kolben einen Exzenterkörper mit einem Außenumfang, entlang dessen der radiale Abstand zur Längsachse der Welle variabel ist. Der Exzenterkörper kann beispielsweise eine Nockenscheibe sein. Mit einer solchen Anordnung lassen sich größere Kräfte von der Welle in die Bewegung des Kolbens einleiten als mit Pleueln, die an einer Kurbelwelle mit exzentrisch zur Drehachse angeordneten Aufnahmen für Pleuelaugen gelagert sind.Advantageously, the bearing in the frictional connection between the shaft and the piston comprises an eccentric body with an outer circumference, along which the radial distance to the longitudinal axis of the shaft is variable. The eccentric body may for example be a cam. With such an arrangement, larger forces from the shaft can be introduced into the movement of the piston than with connecting rods, which are mounted on a crankshaft with eccentric to the axis of rotation shots for connecting rod eyes.
Dies gilt im besonderen in weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der das Lager zusätzlich eine Rolle umfasst, die um eine Achse drehbar am Kolben gelagert ist und entlang eines Außenumfangs des Exzenterkörpers läuft. „Laufen“ ist in diesem Zusammenhang insbesondere so zu verstehen, dass sich der Außenumfang des Exzenterkörpers bei einer Drehbewegung des Exzenterkörpers zum Einen ständig unter der Rolle wegdreht und diese dabei in Drehung versetzt. Zum Anderen verschiebt der Exzenterkörper jedes Mal, wenn sich am Ort des Kontakts mit der Rolle der radiale Abstand seines Außenumfangs zur Längsachse der Welle vergrößert, die Rolle und damit auch den Kolben. This applies in particular in a further advantageous embodiment of the invention, in which the bearing additionally comprises a roller which is rotatably mounted about an axis on the piston and runs along an outer periphery of the eccentric body. "Running" in this context is to be understood in particular as meaning that the outer circumference of the eccentric body constantly rotates under the roller during a rotational movement of the eccentric body and causes it to rotate in the process. On the other hand, the eccentric body displaces the roller and thus also the piston every time the radial distance of its outer circumference from the longitudinal axis of the shaft increases at the point of contact with the roller.
Vermindert sich bei Fortsetzung der Drehbewegung am Ort des Kontakts mit der Rolle der radiale Abstand zur Längsachse der Welle wieder, können die Rolle und damit der Kolben dementsprechend in der entgegengesetzten Richtung nachgeführt werden. Hierfür kann insbesondere eine Vorlastfeder vorgesehen sein, die den Kolben und damit letztendlich die Rolle an den Außenumfang des Exzenterkörpers andrückt. Decreases in continuation of the rotational movement at the contact point with the roller of the radial distance to the longitudinal axis of the shaft again, the roller and thus the piston can be tracked accordingly in the opposite direction. For this purpose, in particular a preload spring can be provided, which presses the piston and thus ultimately the roller to the outer periphery of the eccentric body.
Die genannten Vorteile kommen insbesondere zum Tragen in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, in der die Kraftmaschine als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist. The advantages mentioned come in particular to bear in a further particularly advantageous embodiment of the invention, in which the engine is designed as a radial piston pump.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispieleembodiments
Es zeigt: It shows:
Die Verdrehsicherung
Am Kolben
In
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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