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Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine mit
einer drehbaren Lagerung des Kolbens, dem durch die Schwenkbewegung der Pleuelstange
eine um seine Achse fortschreitende Drehbewegung mit Hilfe eines in Abhängigkeit
von der Schwenkbewegung der Pleuelstange um die Längsachse des Kolbens hin und her
schwenkbaren Schaltteils erteilt wird, welcher zur Übertragung der Schwenkbewegung
der Pleuelstange auf die fortschreitende Drehbewegung des Kolbens mindestens eine
Reibfläche aufweist, die mit einer entsprechenden Reibfläche im Kolben zur Herstellung
einer kraftschlüssigen Verbindung der Reibflächen im Takt der Schwenkbewegungen
zusammenwirkt.
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Es ist bereits aus der schweizerischen Patentschrift 200 762 die Ausführung
eines Kolbens dieser Art bekannt, bei welchem der Schaltteil die Form eines geschlitzten
Ringes hat, der durch seine Elastizität mit einer an seinem äußeren Umfang befindlichen
Reibfläche gegen eine im Kolben befindliche Reibfläche gedrückt wird. Beim Kolben
dieser Art wird der Effekt ausgenützt, daß sich in der einen Bewegungsrichtung der
Ring im Kolben festklemmt, in der anderen Richtung über die Reibfläche des Kolbens
gleitet. Diese Ausführung, die sehr gute Resultate bezüglich der Laufflächen des
Kolbens und des Zylinders zeigte, hatte den wesentlichen Nachteil, daß nach einer
gewissen Abnützung der Reibflächen die das Festklemmen bewirkende ursprüngliche
Reibkraft aufhörte und eine weitere Drehbewegung des Kolbens unterblieb. Zusätzlich
bestand dabei noch der Nachteil, daß, da das Entstehen der Klemmwirkung von der
Schwenkbewegung der Pleuelstange abgeleitet wurde, ein wesentlicher Teil dieser
Schwenkbewegung zur Entstehung dieser Klemmwirkung verbraucht wurde und nur ein
Teil der Schwenkbewegung zur Ausführung einer tatsächlichen Drehbewegung des Kolbens
ausgenützt wurde. Das Verhältnis verschlechterte sich zudem mit zunehmender Abnützung
der Reibfläche.
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Die Erfindung hat die Schaffung eines Kolbens der erwähnten Art zum
Ziel, welcher einfach und leicht ist, einer geringen Abnützung unterliegt, bei welchem
die Entstehung einer Abnützung einen geringen Einfluß auf die Funktion des Schaltmechanismus
hat und bei welchem gleichzeitig die Schwenkbewegung der Pleuelstange in größerem
Maße als bei der bekannten Ausführung für die Drehbewegung des Kolbens nutzbar gemacht
werden kann.
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Dieses angestrebte Ziel wird dadurch erreicht, daß zur Herstellung
der kraftschlüssigen Verbindung der Reibfläche des Schaltteils mit dem Kolben eine
zusätzliche, von einer anderen Kraftquelle als der Schwenkbewegung der Pleuelstange
abgeleitete Kraft dient.
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Die zusätzliche Kraft kann vorzugsweise die Massenkraft einer im Kolben
befindlichen Masse sein. Es ist auf diese Weise eine einfache Ausführung des Kolbens
möglich, die keine besonderen Steuerorgane benötigt, da die Massenkraft an sich
bereits im erforderlichen Rhythmus wirkt.
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Es ist jedoch auch möglich, als zusätzliche Kraft den COldruck des
Schmiersystems zu verwenden. In diesem Falle muß zwar eine besondere Vorrichtung
zur Steuerung der Wirkung des Öldruckes vorgesehen sein. Diese ist jedoch sehr einfach.
Andererseits wird es dadurch möglich, den Kolben auch bei Drehzahlen bzw. Betriebszuständen
zu verwenden, bei welchen die Massenkraft zur Betätigung des Schaltmechanismus nicht
ausreicht.
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Der Schaltteil kann vorzugsweise ein flacher, mit dem Kolben koaxialer
Ring sein, der zu beiden Seiten ebene Reibflächen aufweist und an seinem inneren
Rand mit zwei diametral entgegengesetzten Einschnitten versehen ist, in welche gegenüber
dem Kolbenlager der Pleuelstange ebenfalls diametral entgegengesetzt angeordnete
exzentrische Zapfen eingreifen, wobei konzentrisch zum Schaltteil eine ringförmige
Masse angeordnet ist, die im Kolben in axialer Richtung beweglich ist und sich auf
der dem Kolbenboden zugewandten Seite des Schaltteils befindet.
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Da bei dieser Ausführung der Ring gleichzeitig von zwei diametral
entgegengesetzten Seiten angetrieben wird, erhält er ein reines Drehmoment, und
es entfallen senkrecht zur Achsenrichtung wirkende Kräfte, die sich durch ihre Reibung
auf die Funktion des Schaltmechanismus störend auswirken könnten. Bei der flachen
Ausführung des Schaltteils erhält man zwei ebene Reibflächen, durch welche die Wirkung
erhöht wird. Die Verwendung eines ringförmigen Massenteils gestattet eine einfache
Ausführung des Kolbens. Es ist dabei auch möglich, ähnlich wie bei Lamellenkupplungen,
mehrere flache Schaltteile nebeneinander zu verwenden, zwischen welchen sich Lamellen
befinden, die im Kolben gegen Drehung gesichert sind.
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Es ist jedoch auch eine Ausführung möglich, bei welcher sich der Schaltteil
mit einer kugeligen Lagerfläche gegen einen Kugelkopf der Pleuelstange auf der vom
Kolbenboden abgewandten Seite abstützt und auf seiner dem Kolbenboden abgewandten
Seite eine Reibfläche aufweist, die mit einer entsprechenden Reibfläche im Kolben
zusammenwirkt, wobei die gesamte Masse des Kolbens im Bereich des oberen Totpunktes
zur Ausübung der zusätzlichen Kraft herangezogen wird.
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Diese Ausführung ist insbesondere für Viertaktmotoren geeignet, bei
welchen eine Drehung des Kolbens im oberen Totpunkt zu Beginn des Ansaughubes ohne
Schwierigkeiten möglich ist. Es besteht dabei der Vorteil, daß als Masse zur Ausübung
der Massenkraft praktisch die gesamte Masse des Kolbens ausgenützt werden kann,
und zwar ohne eine zusätzliche Erhöhung des Gewichtes des Kolbens.
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Es ist dabei möglich, die Reibflächen des Schaltteils und des Kolbens
konisch auszubilden. Dadurch wird eine vorteilhafte Erhöhung der Reibung zwischen
dem Schaltteil und dem Kolben erhalten.
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Es ist auch möglich, bei dieser Ausführung zwischen dem Kolben und
dem Schaltteil ein radial tragendes Wälzlager anzuordnen. Dadurch wird die Beweglichkeit
des Schaltteils gegenüber dem Kolben verbessert, was besonders wichtig ist, da sich
bei dieser Ausführung die Pleuelstange bei ihrer Schrägstellung im Betrieb zum Teil
gegen den Schaltteil abstützt.
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Weiter ist es möglich, den Schaltteil so auszubilden, daß er die Form
eines mit dem Kolben koaxialen Ringes hat, der sich auf der dem Kolbenboden zugewandten
Seite über ein axiales Lager gegen den Kolben abstützt und auf der vom Kolbenboden
abgewandten Seite eine Reibfläche aufweist, die mit einer entsprechenden Reibfläche
des Kolbens zusammenwirkt, wobei die eigene Masse des Schaltteils
zur
Ausübung der Massenkraft dient. Dadurch wird eine besonders einfache Ausführung
gewonnen, bei welcher der Schaltteil und der Massenteil ein einziges gemeinsames
Stück bilden.
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Bei einer Betätigung der durch die Reibflächen gebildeten Reibkupplung
durch Drucköl ist es möglich, den Schaltteil mit mindestens einer in axialer Richtung
neben ihm angeordneten Masse zu versehen, welche unter dem Einfluß von Drucköl aus
dem Schmiersystem der Kolbenbrennkraftmaschine steht, in dessen Zuführleitung sich
ein in Abhängigkeit von der Stellung der Pleuelstange zu betätigendes Steuerorgan
befindet.
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Es ist auf diese Weise möglich, eine einfache kolbenartige Anordnung
zur Zusammenwirkung mit den Reibflächen des Schaltteils zu schaffen, wobei unter
Umständen die Wirkung noch durch die Massenkraft des Anpreßteils unterstützt wird.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in der Zeichnung schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen F i g. 1 bis 3 Schnitte von Kolben mit
Schaltteilen, die ebene Reibflächen aufweisen; F i g. 4 zeigt eine Ansicht von oben
des kugeligen Pleuelstangenkopfes aus der F i g. 3, und F i g. 5 bis 7 zeigen weitere
Schnitte von verschiedenen Ausführungen des Kolbens.
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In der F i g. 1 ist ein Kolben 1 einer Kolbenbrennkraftmaschine mit
kugeligen Lagerflächen 2, 3 versehen, die mit einem Kugelkopf 4 einer Pleuelstange
5 zusammenwirken. Die untere Lagerfläche 3 ist in einem Ring 6 ausgebildet, der
sich gegen einen Zwischenring 7 abstützt und zusammen mit diesem durch eine Dehnschraube
am Kolben 1 festgeschraubt ist. Im Zwischenring 7 ist eine Ausnehmung vorgesehen,
in welcher mit Spiel ein Schaltteil 8 und eine Masse 10 untergebracht sind. Die
Masse ist mit einer in axialer Richtung verlaufenden Nut 11 versehen, in die der
Zapfen einer Schraube 12 eingreift, die im Zwischenring 7 eingeschraubt ist. Der
Schaltteil 8 ist an diametral entgegengesetzten Stellen mit abgebogenen Lappen versehen,
wobei sich jeweils zwischen zwei Lappen auf einer Seite ein Einschnitt 13 befindet.
In die so gebildeten Einschnitte greift mit seinen Enden ein Zapfen 14 ein, der
mit seiner Achse durch den Mittelpunkt des Kugelkopfes 4 führt und zur Achse der
Pleuelstange geneigt ist. Auf diese Weise werden durch die Enden des Zapfens 14
zwei exzentrische Antriebsteile gebildet, die der Bewegung des Schaltteils in Abhängigkeit
von einer Schwenkbewegung der Pleuelstange 5 dienen.
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Bei einem Betrieb der Kolbenbrennkraftmaschine führt die Pleuelstange
5 gegenüber dem Kolben 1 die bekannte Schwenkbewegung aus, während sich der Kolben
in seiner Achsenrichtung im Zylinder hin und her bewegt. Durch die Exzentrizität
der Enden des Zapfens 14, die in den Einschnitten 13 zwischen den Lappen geführt
sind, wird dem Schaltteil 8 durch die relative Schwenkbewegung der Pleuelstange
5 eine hin und her gehende Schwenkbewegung erteilt.
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In Betriebsphasen, in welchen die Massenkraft der Masse 10 gegen den
Schaltteil 8 drückt, wirken dessen zwischen den Teilen 7 und 10 eingeklemmte
Reibungsflächen in der gleichen Weise wie eine Reibungskupplung. Der Kolben 1 wird
somit bei der Schwenkbewegung des Schaltteils 8 mitgenommen. Wenn hingegen die Massenkraft
der Masse 10 in der entgegengesetzten Richtung, d. h. vom Schaltteil 8 weg, wirkt,
so dreht sich der Schaltteil, ohne den Kolben 1 mitzunehmen.
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Wegen der verhältnismäßig geringen Kräfte, die zur Drehung des Kolbens
erforderlich sind, reicht eine verhältnismäßig geringe Masse 10 aus, um die beschriebene
Funktion auszuführen. Es darf dabei nicht vergessen werden, daß im Kolben während
des normalen Betriebes Beschleunigungen von 300 bis 1000 g (wobei g die Erdbeschleunigung
bedeutet) wirken, die entsprechend hohe Massenkräfte zur Folge haben.
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Bei der in der F i g. 1 dargestellten Ausführung wird die Masse
10 nach der Art einer Lamellenkupplung eingeklemmt, so daß eine gute Reibungswirkung
entsteht. Auch eine größere Abnützung der Reibflächen des Schaltteils 8 und der
Teile 7 und 10 hat dabei keinen wesentlichen Einfluß auf die Funktion des Schaltmechanismus.
Außerdem erfolgt eine Abnützung der Reibflächen nur sehr langsam, da sich die Reibflächen
gegeneinander praktisch nur in unbelastetem Zustand bewegen.
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In der F i g. 2 ist eine von der Ausführung nach der F i g. 1 abgeleitete
Ausführungsform dargestellt, bei welcher zusätzlich zur Massenwirkung einer Masse
noch die Massenwirkung von Kühlöl im Kolben ausgenützt wird. Der Kolben 21 aus der
F i g. 2 ist in der gleichen Weise wie der Kolben 1 aus der F i g. 1 mit Lagerflächen
22, 23, einem Lagerring 24, einem Zwischenteil 25, einem Schaltteil 26 und einer
Masse 27 ausgestattet. Im Kolben befindet sich der Kugelkopf 28 einer Pleuelstange
29 mit einem schrägen Zapfen 30, der in Einschnitte 17 des Schaltteils 26 eingreift.
Die Masse 27 ist bei dieser Ausführung in der Form eines Ringes ausgebildet, der
kolbenartig in einer entsprechenden ringförmigen Nut 18 geführt ist. Die Nut ist
durch Bohrungen 19 mit einem Hohlraum 20 im Kolben 21 verbunden, welcher der Kühlung
des Kolbenbodens dient und normalerweise mit Kühlöl aus dem Schmiersystem der Maschine
gefüllt ist.
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Bei dieser Ausführung des Kolbens wirkt die Masse 27 in der gleichen
Weise wie die Masse 10 der Ausführung nach der F i g. 1. Die Massenwirkung der Masse
27 wird jedoch noch durch die Massenwirkung des im Hohlraum 20 befindlichen Öls
unterstützt, dessen Druck durch die Bohrungen 19 auf die Masse 27 übertragen wird.
Diese unterstützende Wirkung wird ohne eine wesentliche weitere Erhöhung des Betriebsgewichtes
des Kolbens erzielt, da das Öl bei ölgekühlten Kolben vorhanden sein muß.
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In den F i g. 3 und 4 ist eine weitere Ausführung des Kolbens mit
einem Schaltteil mit ebenen Reibflächen dargestellt. Bei dieser Ausführung ist ein
Kolben 31 mit Lagerflächen 32, 33 versehen sowie mit Teilen 34, 35, die den Teilen
6 und 7 der Ausführung nach der F i g. 1 entsprechen. Mit dem Teil 35 wirkt ein
Schaltteil 36 zusammen, gegen welchen sich eine ringförmige Masse 37 abstützt. Im
Kolben befindet sich der Kugelkopf 38 einer Pleuelstange 39, die mit einem schrägen
Zapfen 40 versehen ist. Die Enden des Zapfens greifen in der bereits beschriebenen
Weise zwischen Lappen in Einschnitte 41 ein.
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Bei der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführung ist die Pleuelstange
mit einer axialen Bohrung 42 versehen, durch welche Schmieröl aus dem Schmiersystem
der Maschine zugeführt wird. Die Bohrung 42 mündet in eine schräge Bohrung 43, welche
durch eine Öffnung 44 im Kugelkopf nach
außen führt. In der Lagerfläche
32 des Kolbens ist eine ringförmige Nut 45 ausgebildet, die durch
Bohrungen 49 mit dem ringförmigen Einschnitt 46 verbunden ist, in welchem die Masse
37 geführt ist. Außerdem ist in dem ringförmigen Einschnitt 46 ein Speicher-Kolben
47 geführt, der gegen eine Mehrzahl von Schraubenfedern 48 abgestützt
ist.
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Im Betrieb der Brennkraftmaschine wirken der Schaltteil 36 und die
Masse 37 in der gleichen Weise wie die entsprechenden Teile der vorherigen Ausführung.
Gleichzeitig wird jedoch zu einem geeigneten Zeitpunkt während der Schwenkbewegung
der Strömungskanal des Schmieröls mit der ringförmigen Nut 45 verbunden.
Dadurch dringt Öl mit dem Schmierdruck in die ringförmige Nut 45 ein und
bewirkt ein Anpressen der Masse 37 gegen den Schaltteil 36, und zwar
im Rhythmus der Schwenkbewegungen der Pleuelstange 39. Dabei wird jedesmal bei einer
Verbindung der Nut 45 mit den Bohrungen 42, 43 auch der Speicherkolben 47
gegen die Kraft der Federn 48 bewegt. Durch diese Bewegung wird im Raum zwischen
den Teilen 37 und 47 Drucköl gespeichert, welches auch nach dem Abschließen
der Verbindung mit der Schmierölleitung mit seinem Druck wirkt. Selbstverständlich
sind die Verhältnisse so bemessen, daß das Drucköl nur so lange wirkt, bevor sein
Druck durch die Undichtheiten verschwindet, wie es für die Funktion des Kolbens
erforderlich bzw. günstig ist.
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In der F i g. 5 ist ein Kolben 61 dargestellt, in welchem sich
ein Kugelkopf 62 einer Pleuelstange 63 befindet. Die Pleuelstange ist mit einem
schrägen Zapfen 64 versehen, welcher in axiale Einschnitte 65 eines Schaltteils
66 eingreift. Der Schaltteil ist in diesem Falle einerseits mit einer kugeligen
Lauffläche 67 für den Kugelkopf 62 und andererseits mit einer konischen Reibfläche
68 versehen. Die Reibfläche 68 wirkt mit einer Reibfläche 69 eines Teils
70 zusammen, der im Kolben 61 durch Schrauben 71 befestigt ist.
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Bei der in der F i g. 5 dargestellten Ausführung erfolgt die Belastung
der Reibflächen 68, 69 hauptsächlich durch die Massenkraft des gesamten Kolbens,
der sich im Bereich des oberen Totpunktes über den Schaltteil 66 gegen die
untere Lagerfläche des Kugelkopfes 62 abstützt. Da dieser Kolben seine Bewegung
hauptsächlich im Bereich des oberen Totpunktes ausführt, ist er insbesondere für
Viertaktmotoren geeignet, bei welchen im Leerhub der Kolben nicht durch eine Gaskraft
belastet ist, die seine Reibung im Zylinder vergrößern würde.
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Bei der Ausführung nach der F i g. 6, die im Prinzip der Ausführung
nach der F i g. 5 entspricht, ist zwischen dem Schaltteil 66 und dem Teil
70 ein in radialer Richtung tragendes Wälzlager 75 vorgesehen. Außerdem sind
die konischen Reibflächen 68 und 69 der Ausführung nach der F i g. 5 durch ebene
Reibflächen 76 und 77 ersetzt.
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Das radial tragende Wälzlager 75 dient bei der Ausführung nach der
F i g. 6 der Aufnahme seitlicher Kräfte, welche aus dem unteren Teil des Kugelkopfes
62 in den Schaltteil 66 übergehen. Diese axialen Kräfte stammen aus
der Schrägstellung der Pleuelstange und werden durch das Wälzlager 75 in den Kolben
und über dessen Gleitfläche in die Zylinderwand geleitet.
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Bei der in der F i g. 7 dargestellten Ausführung ist im Kolben
81 ein Kugelkopf 82 einer Pleuelstange 83 gelagert. Im Kolben
81 ist, wie bei den vorherigen Ausführungen, ein Zwischenring 84 und
ein Lagerring 85 vorgesehen. Der Kugelkopf der Pleuelstange ist mit einem
schrägen Zapfen 86 versehen, der diesmal nur mit einem Ende versehen ist,
das in einen Einschnitt 87 eines Schaltteils 88 eingreift. Der Schaltteil
88 ist mit einer konischen Reibfläche 89
versehen, die mit einer entsprechenden
Reibfläche 90
des Zwischenteils 84 zusammenwirkt. Zwischen dem Schaltteil
88 und dem Kolben 81 befindet sich ein axial tragendes Lager
91. Die Teile 84 und 85 sind im Kolben 81 durch Schrauben 92
festgeschraubt.
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Während der hin und her gehenden Bewegung des Kolbens 81 wird in bereits
beschriebener Weise der Schaltteil 88 hin und her geschwenkt. Je nach der
Richtung der Wirkung der Verzögerungs- bzw. Beschleunigungskräfte am Kolben wird
der Scbaltteil 88 entweder mit seiner Reibfläche 89 gegen die Reibfläche
90 gedrückt oder gegen das Lager 91 abgestützt. Dadurch ergibt sich
in einem Falle eine Mitnahme des Kolbens 81, im anderen Falle eine Leerbewegung
des Schaltteils 88 gegenüber dem Kolben 81.
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Die Reibflächen, die am Schaltteil und im Kolben ausgebildet sind,
können in an sich bekannter Weise mindestens mit einer Schicht aus einem Material
versehen sein, welches sich für die Reibungsverhältnisse eignet. Es sind dies z.
B. die bei Reibungskupplungen verwendeten bekannten Materialien. Es ist auch möglich,
in mindestens einer der zusammenwirkenden Reibflächen Rillen auszubilden, welche
der Zufuhr von Schmieröl zwischen die Reibflächen dienen und andererseits einer
Ableitung des Öls, wenn die Reibflächen aneinandergedrückt werden sollen.
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Es versteht sich, daß im Rahmen der folgenden Ansprüche verschiedene
Änderungen der als Beispiele dargestellten Ausführungen möglich sind. So können
alle dargestellten Ausführungen wahlweise mit einem oder mit zwei Zapfenenden ausgeführt
sein. Auch kann es unter Umständen vorteilhaft sein, die Schaltteile bzw. die Massen
gegenüber der dargestellten Ausführung umgekehrt anzuordnen. Bei den Ausführungen
nach den F i g. 1 bis 3 und 7 erfolgt eine Schaltbewegung des Kolbens jeweils im
Bereich des unteren Totpunktes, d. h. in einem Bereich, wo die auf den Kolben wirkenden
Gaskräfte am kleinsten sind. Bei Viertaktmotoren kann es jedoch unter Umständen
vorteilhaft sein, die Schaltbewegung, d. h. die Drehbewegung des Kolbens, während
des Saughubes im Bereich des oberen Totpunktes durchzuführen. In diesem Falle müssen
die Schaltteile durch eine nach oben wirkende Kraft gegen ihre entsprechenden Reibflächen
angepreßt werden.
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Außerdem können, wie bereits erwähnt, bei den Ausführungen nach den
F i g. 1 bis 3 mehrere lamellenartige Schaltteile nach der Art der ,bekannten Lamellenkupplungen
übereinander angeordnet werden, wobei sich dann zwischen den einzelnen Schaltteilen
Lamellen befinden müssen, die im Kolben in axialer Richtung geführt, jedoch gegen
Drehung gesichert sind. Eine derartige Ausführung ist aus dem Bau von Lamelienkupplungen
gut bekannt.