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Die Erfindung bezieht sich auf ein insbesondere für Brennkraftmaschinen
bestimmtes Triebwerk mit einem Kolben, dessen Nabenbohrungen mit Büchsen ausgestattet
sind und der an einem Pleuel mittels eines Kolbenbolzens angelenkt ist, welcher
in die ihn aufnehmende Bohrung des Pleuels oder einer in das Pleuel eingesetzten
Büchse mit Überdeckung, z. B. mit Preßsitz, eingefügt ist.
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Ein derartiges Triebwerk, bei dem der Kolbenbolzen in den in die Nabenbohrungen
des Kolbens undrehbar eingesetzten. Lagerbüchsen drehbar gelagert ist, ist aus der
USA: Patentschrift 1632 049 bekannt. Als Vorteil gegenüber solchen Triebwerken,
bei denen der Kolbenbolzen »schwimmend« gelagert, d. h. in die Lagerbüchse bzw.
-bohrungen am Kolben und im Pleuelkopf mit einer solchen Passung eingefügt ist,
daß er sich in allen diesen Bohrungen drehen läßt, gibt die genannte Patentschrift
an, daß auf den Einbau besonderer Sicherungen gegen axiale Verschiebungen des Kolbenbolzens,
die einen Teil der zur Verfügung stehenden Lagerflächen wegnehmen, verzichtet werden
kann. über den Zweck der in den Nabenbohrungoen vorgesehenen Büchsen enthält die
USA.-Patentschrift 1632 049 keine Angaben. Es ist jedoch bekannt, daß in die Bolzennaben
fest eingefügte Lagerbüchsen früher häufig vorgesehen worden sind, um die Gleiteigenschaften
zu verbessern. So hat man z. B. die Bolzennaben von Graugußkolben mit Lagerbüchsen
aus Bronze ausgestattet. Gelegentlich (vergleiche z. B. die Abb. 6 auf S. 7 des
1937 im Verlag von Richard Carl Schmidt & Co. in Berlin erschienenen "Buches
»Leichtmetallkolben für Fahrzeugmotoren« von Richard Krüger) hat man auch schon
die Bolzennaben von Leichtmetallkolben durch eingegossene Stahlbüchsen verstärkt.
In neuerer Zeit sind jedoch Kolben mit in die Bolzennaben eingesetzten Lagerbüchsen
kaum mehr verwendet worden, weil es inzwischen gelungen ist, Kolbenwerkstoffe mit
genügend guten Laufeigenschaften und genügend großer Festigkeit zu schaffen.
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Dessenungeachtet kommt es aber auch heute noch vor, daß Triebwerke
von hochbeanspruchten Maschinen durch Auftreten von Spaltbrüchen zerstört werden,
welche von den Bolzennaben der Kolben ausgehen. Ursächlich für solche Zerstörungen
sind bekanntlich zu schwach dimensionierte Kolbenbolzen. die sich unter der Einwirkung
der auftretenden Kräfte durchbiegen und gegebenenfalls auch einer Ovalverformung
unterliegen, was zu örtlichen überbeanspruchungen in den Bolzenlagern und zum Aufsprengen
der die Lagerbohrungen enthaltenden Bolzennaben führt. Beim Entwurf neuer Triebwerke
bemißt man selbstverständlich die Kolbenbolzen von vornherein so, daß ihre unvermeidbaren
Verformungen in Grenzen bleiben, welche eine Gefährdung der Bolzennaben des Kolbens
ausschließen. Praktisch läuft das darauf hinaus, daß man kräftige Kolbenbolzen mit
einem verhältnismäßig großen Außendurchmesser verwendet. Bei bereits vorhandenen
Triebwerken, die ursprünglich für einen Motor mit einer bestimmten Leistung richtig
bemessen waren, später aber infolge einer vorgenommenen Leistungssteigerung des
Motors nicht mehr genügen, schreitet man jedoch ungern zu einer entsprechenden Vergrößerung
des Kolbenbolzendurchmessers, weil diese Maßnahme außer einer entsprechenden Änderung
des Kolbens auch eine solche des Pleuels bedingen würde. Häufig ist eine entsprechende
Vergrößerung des Pleuelkopfes sogar nicht einmal möglich, weil im Innern des Kolbens
dafür kein Platz vorhanden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch in solchen Fällen eine
Verstärkung des Kolbenbolzens ohne gleichzeitige Änderung des Pleuels zu ermöglichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß bei einem
Triebwerk der eingangs erwähnten Art die den Kolbenbolzen aufnehmenden Büchsen in
den Nabenbohrungen des Kolbens drehbar sind und den Kolbenbolzen mit Überdeckung
umfassen. In diesem Falle wird die Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit des Bolzens
durch die undrehbar mit ihm verbundenen Büchsen im Bereich der Nabenbohrungen des
Kolbens beträchtlich erhöht und kommt derjenigen eines Stufenbolzens gleich.
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Hier ist zum Stand der Technik noch nachzutragen, daß stufenförmige
Kolbenbolzen, deren Durchmesser im Bereich der Nabenbohrungen des Kolbens größer
sind als im Bereich der Bohrung des Pleuelkopfes, an sich bekannt sind. Wie aus
S. 44 des oben bereits erwähnten Buches von Richard Krüger hervorgeht, hat man die
Verwendung solcher Bolzen für Leichtmetallkolben in der deutschen Patentschrift
368 705 deshalb vorgeschlagen, weil man annahm, daß bei Leichtmetallkolben der Flächendruck
in den Bolzennaben niedriger gewählt werden müsse als bei Graugußkolben. Nachdem
sich diese Annahme als unzutreffend herausgestellt hatte, wurde die Verwendung von
Stufenbolzen alsbald als überflüssig wieder aufgegeben.
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Übrigens unterscheidet sich der aus der deutschen Patentschrift 368
705 bekannte Stufenbolzen auch konstruktiv von dem im erfindungsgemäßen Triebwerk
zu verwendenden Kolbenbolzen. Bei ihm ist nämlich nicht durch aufgesetzte Büchsen
eine örtliche Verstärkung der in die Bolzennaben eingreifenden Teile erreicht. Er
besteht vielmahr aus zwei ineinandergesteckten Teilen, die sich in der in den Pleuelkopf
eingreifenden Zone überdecken.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Triebwerkes ergibt sich außerdem
noch der weitere Vorteil, daß die Montage erleichtert wird. Bei den bekannten Triebwerken,
bei denen der Kolbenbolzen in den Nabenbohrungen oder in die Bolzennaben eingesetzten
Lagerbüchsen drehbar ist und im Pleuelkopf mit Überdeckung, z. B. mit Preßsitz,
ruht, muß der Kolbenbolzen in tiefgekühltem Zustand in die Nabenbohrungen des Kolbens
und in die Pleuelbohrung eingeführt werden, so daß sich erst bei Wiedererwärmung
auf Raumtemperatur die gewünschte überdeckung einstellt, da andernfalls diejenigen
Teile der Mantelfläche des Kolbenbolzens, die sich in den Bolzennaben drehen sollen,
beim Durchschieben durch die mit Untermaß gefertigte Bohrung des Pleuelkopfes beschädigt
werden könnten.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines Triebwerkes ist dagegen
eine Unterkühlung des Kolbenbolzens vor der Montage nicht mehr unbedingt erforderlich,
da der Bolzen nur noch Preßsitzflächen aufweist bzw. mit solchen in Kontak steht.
Die Montage und Demontage ist daher auch in Reparaturwerkstätten möglich, die nicht
über Einrichtungen zum Unterkühlen verfügen. Da sich der Bolzen nicht mehr dreht,
spielt seine Oberflächenbeschaffenheit eine untergeordnete Rolle. Es schadet daher
nichts, wenn, er beim Einführen etwa verkratzt wird. Man
kann deshalb
selbstverständlich auch von vornherein auf eine Feinstverarbeitung der Mantelfläche
des Kolbenbolzens verzichten. Gegebenenfalls kann man auch leichte Bolzen verwenden,
die ganz aus Titan oder einer Aluminiumlegierung bestehen und im Gegensatz zu bekannten
Leichtmetallbolzen keine Oberflächenbewehrung aus einem anderen Metall tragen.
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Verwendet man bei dem erfindungsgemäßen Triebwerk ein Pleuel mit einer
in dessen Kopf eingesetzten Büchse, so kann diese - wie üblich - mit überdeckung
in die Bohrung des Pleuelkopfes eingepreßt sein. Man kann sie aber, wie die erfindungsgemäß
vorgesehenen Nabenbüchsen, auch so bemessen, daß sie in der Bohrung des Pleuelkopfes
drehbar ist. In diesem Falle hat man einen durch drei Büchsen verstärkten Bolzen,
der im Kolben und im Pleuel schwimmend gelagert ist und daher einer Sicherung gegen
axiale Verschiebung bedarf, die durch bekannte Mittel, z. B. durch den Nabenbüchsen
zugeordnete Sprengringe, erreicht werden kann. Man kann jedoch auch bei dieser Bauart
auf besondere Mittel zum Verhindern einer axialen Verschiebung verzichten, wenn
man Nabenbüchsen wählt, deren Außendurchmesser größer ist als derjenige der Pleuelbüchse.
In diesem Fall wirken die mit dem Kolbenbolzen fest verbundenen Nabenbüchsen wie
Bunde, welche eine seitliche Verschiebung des Kolbenbolzens gegenüber dem Pleuelkopf
verhindern.
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Bevorzugt wird jedoch eine Bauart, bei der der Kolbenbolzen unmittelbar,
d. h. ohne Verwendung einer Lagerbüchse mit überdeckung in das Pleuel eingreift,
und zwar vor allem deshalb, weil sich dann die Möglichkeit ergibt, einen entsprechend
stärkeren Bolzen bei gleichbleibender Pleuelform vorzusehen.
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Die Bauart mit unmittelbar in den Pleuelkopf mit überdeckung eingefügtem
Kolbenbolzen erlaubt es außerdem, mit schmalen Pleueln auszukommen, bei denen die
Länge der Pleuelbohrung kleiner ist als die Summe der Lagerlängen in den Bolzennaben,
was einer leichten und trotzdem stabilen Bauart zugute kommt.
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Werden Kolben, z. B. Leichtmetallkolben, verwendet, deren Wärmeausdehnung
größer ist als diejenige des Kolbenbolzenwerkstoffes, so ist es ferner möglich,
eine Vergleichmäßigung des Spiels zwischen den drehbaren Büchsen und den Nabenbohrungen
in an sich bekannter Weise dadurch zu erreichen, daß man zur Herstellung der Nabenbüchsen
einen Werkstoff wählt, dessen Wärmeausdehnungsbeiwert demjenigen des Kolbenwerkstoffes
angeglichen ist.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von zwei Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
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F i g. 1 zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel mit einem einstückigen
Kolben und einer Büchse zwischen dem Kolbenbolzen und dem Pleuelkopf, während in
F i g. 2 in gleicher Darstellungsweise ein Ausführungsbeispiel mit unmittelbar in
den Pleuelkopf eingesetztem Kolbenbolzen gezeichnet ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 findet eine Kolbenbauart
Verwendung, bei der die Bolzennaben 11 im Abstand vom Kolbenschaft 12 freihängend
angeordnet und nur gegen den Kolbenboden 13 und die Ringzone 14 abgestützt sind.
In die Bolzennaben 11 sind zwei Büchsen 31 drehbar eingesetzt, während der Kopf
21 des Pleuels 20 mit einer Büchse 32 ausgestattet ist. Die Bohrungen der Büchsen
31 und 32 sind um ein geringes Maß kleiner als der Außendurchmesser des zur Verbindung
des Kolbens mit dem Pleuel 20 dienenden Kolbenbolzens 30. Die Büchsen nehmen also
den Kolbenbolzen mit überdeckung in sich auf. Sie bilden mit ihm eine Einheit und
verstärken ihn. Die Bohrung des Pleuelkopfes 21 kann etwas kleiner sein als der
Außendurchmesser der Pleuelbüchse 32, so daß diese auch im Pleuel mit überdeckung
sitzt. In diesem Fall ist eine Sicherung gegen axiale Verschiebung der aus dem Bolzen
30 und den Büchsen 31 und 32 gebildeten Baueinheit, wie bei jedem mit Klemmpleuel
ausgestatteten Triebwerk überflüssig. Man kann jedoch zwischen der Büchse 32 und
der Bohrung des Pleuelkopfes 21 auch ein so großes Spiel vorsehen, daß sich das
Pleuel gegenüber der Pleuelbüchse 32 und damit auch gegenüber dem Kolbenbolzen 30
drehen läßt. Die Verhältnisse sind dann gleich wie bei einem bekannten Triebwerk
mit schwimmend gelagertem Kolbenbolzen, jedoch kann man auch hier auf eine besondere
Bolzensicherung verzichten, wenn man, wie gezeichnet, die Außendurchmesser der Nabenbüchsen
31 größer wählt als den Außendurchmesser der Pleuelbüchse 32.
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Als Montage- bzw. Demontage-Hilfsmittel dient bei dieser Ausführung
die rechts in gestrichelten Linien eingezeichnete Hülse 41, mit der man die sich
gegen die Flanken der Pleuelbüchse 32 anlegenden Nabenbüchsen 31 in ihrer Lage halten
kann, während der Kolbenbolzen von der linken Seite her mittels eines Dornes 42
eingepreßt bzw. herausgedrückt wird, ohne daß dabei die Lagerflächen zwischen den
Nabenbüchsen 31 und den Bolzennaben 11 und gegebenenfalls zwischen der Pleuelbüchse
32 und dem Pleuelkopf 21 in Mitleidenschaft gezogen werden.
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Beim Beispiel nach F i g. 2 ist der Kolbenbolzen 30
unmittelbar
in die Bohrung des Pleuelkopfes 21 mit überdeckung eingesetzt, und man kann daher
einen gegenüber dem Beispiel nach F i g. 1 um die Wandstärke der dort vorgesehenen
Pleuelbüchse 32 dickeren Kolbenbolzen 30 wählen. Außerdem erlaubt diese Ausführung
die Anwendung eines minimalen gegenseitigen Abstandes der Bolzennaben 11, weil ein
Pleuel mit beträchtlich schmalerem Kopf Verwendung finden kann. Bei dem gezeichneten
Beispiel ist die axiale Länge der Bohrung des Pleuelkopfes 21 nur etwa gleich groß
wie die axiale Höhe jeder der beiden Nabenbüchsen 31, die wie beim vorher beschriebenen
Beispiel in den Bohrungen der Bolzennaben 11 drehbar sind und den Bolzen 30 mit
überdeckung in sich aufnehmen.
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In erfindungsgemäß ausgebildeten Triebwerken lassen sich Kanäle zum
Durchleiten von Kühlöl leicht zwischen den Büchsen bzw. der Bohrung des Pleuelkopfes
und den mit überdeckung eingesetzten Kolbenbolzen anordnen.