DE19511997C1 - Kolben-Pleuel-Verbindung, insbesondere für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Pleuel-Verbindung, ins­ besondere für einen Zweitakt-Verbrennungsmotor der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

In der US-PS 3,555,972 ist ein ölgekühlter Kolben für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem der Pleuel an einem Kolbenbolzen mittels Schrauben befestigt ist. Der Kolben­ bolzen ist mit seinen Enden in Kolbenaugen des Kolbens ge­ halten und schwenkbar an einer Lagerfläche des Kolbens ab­ gestützt. Der Pleuel besitzt eine Längsbohrung, die mit ei­ ner deckungsgleichen Radialbohrung im Kolbenbolzen einen Ölzuführkanal bilden, durch den Drucköl des Motorschmiersy­ stems einer aus der Lagerfläche und der mit dieser zusam­ menwirkenden Oberfläche des Kolbenbolzens gebildeten Kon­ taktfläche zugeführt wird. Um das Öl möglichst gleichmäßig über die gesamte Lagerfläche zu verteilen, sind Ölleitril­ len vorgesehen, die von einer radialen Ausnehmung ausgehend sich parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens erstrecken.

Bei Zweitaktmotoren findet der gesamte Kreisprozeß während einer Kurbelwellenumdrehung statt. Dies bedeutet, daß die resultierende Kolbengesamtkraft, das ist die Summe aus der Gas- und Massenkraft, in Abhängigkeit von den Betriebsbe­ dingungen, beispielsweise der Drehzahl, Last, usw. und den konstruktiven Gegebenheiten des Kurbeltriebs weitestgehend in Richtung Kurbelwelle orientiert ist. Somit wird jede La­ gerstelle des Kurbeltriebs mit einer Druckbelastung beauf­ schlagt, durch die insbesondere bei Gleitlagerung ein Auf­ bau eines Schmierfilms äußerst erschwert wird. Solche Gleitlagerungen sind vor allem im Kurbeltrieb von gebläse­ gespülten Zweitaktmotoren zu finden. Dabei sollen die in den Lagerstellen angebrachten Ölleitrillen dazu dienen, hy­ drodynamische Schmierverhältnisse zu erreichen. Trotzdem tritt in den belasteten Lagerstellen eine Mischreibung auf, da der Schmierfilm bei entsprechender Kraftwirkung des Kol­ bens nicht zuverlässig aufrecht erhalten werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kol­ ben-Pleuel-Verbindung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, durch die unmittelbar in den belasteten Lagerstellen hydro­ statische Schmierverhältnisse aufgebaut werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolben-Pleuel-Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu se­ hen, daß auf einfache Weise direkt in den kritischen La­ gerstellen hydrostatische Schmierverhältnisse aufgebaut werden, ohne daß eine separate Ölpumpe erforderlich ist und daß keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.

Zur besonders einfachen Gestaltung, durch die die ursprüng­ liche Form von Lagerfläche und Kolbenbolzen weitestgehend beibehalten werden kann, ist es zweckmäßig, daß die Hohl­ räume durch einen mittigen Vorsprung an der Lagerfläche und Ausnehmungen an dem Kolbenbolzen gebildet sind. Damit das Volumen der Hohlräume ausreichend groß bemessen werden kann, ist es zweckmäßig, daß die Hohlräume eine in Richtung des Kolbenbolzens längliche Erstreckung aufweisen. Aus Gründen der Montagesicherheit sollte die Kontaktfläche so ausgebildet werden, daß kein seitenverkehrter Einbau des Kolbenbolzens im Kolben möglich ist. Hierzu ist es zweck­ mäßig, die Hohlräume bezogen auf die Längsachse von Kolben und Pleuel symmetrisch auszubilden.

Die Fläche im Bereich des Vorsprungs zwischen den Hohlräu­ men kann als Verschlußstück für den Ölzuführkanal in der Mittelstellung des Pleuels ausgebildet sein. Sofern durch den Ölzuführkanal auch dem Kolbenboden Öl zur Kühlung zuge­ leitet werden soll, ist es vorteilhaft, eine entsprechende Öffnung vorzusehen, durch die in der Mittelstellung des Pleuels der Ölzuführkanal in Richtung des Kolbenbodens ver­ längert wird. Um eine flächige Abdichtung des Hohlraums ge­ gen die Ölablauföffnung und eine gute Kompression in dem Hohlraum zu erreichen, ist es günstig, daß die Lagerfläche von einem Punkt des Hohlraums ausgehend zu ihrem der Längs­ achse des Kolbens entfernt liegenden Ende eine bogenförmige Kontur aufweist, die der Mantelfläche des Kolbenbolzens entspricht. Damit gleiten die beiden Flächen während der Pleuelbewegung unter Aufrechterhaltung eines Schmierspaltes aufeinander.

Von dem Punkt des Hohlraums ausgehend kann die Lagerfläche zur Dichtkante des Hohlraums hin eine annähernd geradlinige Kontur aufweisen. Sofern das benötigte Volumen des Hohl­ raums nicht über dessen Längserstreckung geschaffen werden kann, ist auch eine gewölbte Kontur möglich. Eine möglichst einfache Gestaltung des Kolbenbolzens ist insbesondere im Hinblick auf eine zuverlässige Großserienproduktion anzu­ streben. Es ist daher zweckmäßig, daß die Kontur der Aus­ nehmungen am Kolbenbolzen im wesentlichen entlang einer Sehne durch den Kreisquerschnitt des Kolbenbolzens ver­ läuft. Dabei sind die bezogen auf die Längsachse des Pleu­ els radial näheren Bereiche der Kontur als eine im Quer­ schnitt V-förmige Vertiefung ausgestaltet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs Kolbenbol­ zen und Lagerschale,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 2.

In Fig. 1 ist der Längsschnitt durch einen in einem Zylin­ der 1 geführten Kolben 2 gezeigt. Der Kolben 2 besitzt ei­ nen nach innen gewölbten Kolbenboden 3, zu dem in einem Ab­ stand ein Lagerbereich 4 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 5 vorgesehen ist. In dem Lagerbereich 4 ist eine Lagerschale 6 angeordnet, die die Lagerfläche 28 für den Kolbenbolzen 5 bildet. Der Kolbenbolzen 5 ist mit einem Pleuel 7 fest ver­ bunden. In dem Pleuel 7 befindet sich eine Längsbohrung 8, an die sich eine deckungsgleiche Radialbohrung 9 des Kol­ benbolzens 5 anschließt, wobei die Längsbohrung 8 und die Radialbohrung 9 einen Ölzuführkanal 10 bilden. Der Kolben­ bolzen 5 weist an seiner dem Pleuel 7 abgewandten Mantel­ fläche eine Ausnehmung 11 auf, deren Kontur durch eine Sehne des Kreisquerschnitts des Kolbenbolzens 5 gebildet ist. Die Lagerschale 6 besitzt in ihrer Mitte einen Vor­ sprung 12, der sich in Richtung auf die Radialbohrung 9 des Kolbenbolzens 5 erstreckt und diese abdeckt, wenn sich der Pleuel 7 in seiner in Fig. 1 gezeigten Mittelstellung be­ findet. Zu beiden Seiten des Vorsprungs 12 ist zwischen der Lagerschale 6 und dem Kolbenbolzen 5 je ein Hohlraum 13 gebildet, wobei diese Hohlräume symmetrisch zur Längsachse L des Kolbens 2 angeordnet sind.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, woraus die Lagerung des Kolbenbolzens 5 im Kolben 2 ersichtlich ist. Entlang des Lagerbereichs 4 des Kolbens 2 erstreckt sich die Lagerschale 6, an welcher der Kolbenbol­ zen 5 mit seiner oberen Mantelfläche anliegt. Im mittleren Bereich ihrer Längserstreckung ist an der Lagerschale 6 der Vorsprung 12 angeformt, der in die entsprechende Ausnehmung 11 des Kolbenbolzens 5 greift. Der Kolbenbolzen 5 ist mit seitlichen Enden 15 in Kolbenaugen 16 gelagert und um eine Drehachse D schwenkbar. Der Pleuel 7 ist mittels Schrauben 17 an dem Kolbenbolzen 5 befestigt. Die Längsbohrung 8 des Pleuels und die Radialbohrung 9 des Kolbenbolzens bilden den Ölzuführkanal 10, der in der Mittelstellung des Pleuels 7 durch den Vorsprung 12 verschlossen ist. Die Breite B des Vorsprungs 12, die auch die Breite der Aussparung 11 im Kolbenbolzen 5 ist, kann durchaus geringer sein als in Fig. 2 dargestellt, sofern das durch die Fig. 1 gezeigten Hohl­ räume 13 gebildete Volumen für die hydrostatische und hy­ drodynamische Schmierung der zwischen Lagerfläche der La­ gerschale 6 und Oberfläche des Kolbenbolzens 5 gebildeten Kontaktfläche ausreicht.

In Fig. 3 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereichs Kolbenbolzen und Lagerschale gezeigt und zwar in einem Schnitt, der demjenigen der Fig. 1 entspricht. Im mittleren Bereich der Lagerschale 6 befindet sich der Vorsprung 12, der an seiner vorderen dem Pleuel 7 zugewandten Fläche 18 eben ausgebildet ist. Der Vorsprung 12 besitzt seitliche Ränder 19, 19′, die als Dichtkanten 20, 20′ ausgebildet sind. Neben den seitlichen Rändern 19, 19′ sind jeweils die Hohlräume 13, 13′ gebildet, wobei jeder Hohlraum 13, 13, einen Punkt P bzw. P′ besitzt. Die Kontur des Hohlraums 13, 13′ ist von dem Punkt P, P′ ausgehend zum Rand 21, 21′ der Lagerschale 6 hin bogenförmig, und zwar entspricht dieser Bogen 14, 14′ der Wölbung der Mantelfläche 22 des Kolben­ bolzens 5. Auf der anderen Seite des Punktes P bzw. P′ ist die Kontur des Hohlraums 13, 13′ zum seitlichen Rand 19, 19′ des Vorsprungs 12 hin als Gerade 27, 27′ gestaltet. Der Kolbenbolzen 5 besitzt auf seiner der Lagerstelle 6 zuge­ wandten Seite die Ausnehmung 11, die im wesentlichen durch eine Sehne 25 gebildet ist, die den Kreisquerschnitt des Kolbenbolzens 5 in den Punkten 30, 30′ schneidet. Zur Längsachse L′ der Bohrung 9 bzw. des Pleuels 7 hin ist in der Sehne 25 eine V-förmige Vertiefung 26, 26′ mit stumpfem Winkel β von ca. 130° bis 140° vorgesehen. Die Vertiefungen 26, 26′ grenzen aneinander, wobei der Scheitelpunkt der Kontur mit 29 bezeichnet ist.

Am Rand 21, 21′ der Lagerschale 6 ist eine Ausnehmung 32, 32′ vorgesehen, die soweit in Richtung des Hohlraums 13, 13′ reicht, daß letzterer bei einem maximalen Schwenkwinkel a des Kolbenbolzens 5 bzw. Pleuels 7 über eine zwischen dem Punkt 30 und einer Kante 23 gebildeten Ölablauföffnung 24 mit der Außenseite des Kolbenbolzens verbunden ist. Der maximale Schwenkwinkel beträgt im Ausführungsbeispiel 15°. Beim Zurückschwenken des Pleuels 7 um ca. 4° gelangt der Punkt 30 des Kolbenbolzens 5 an die Kante 23 und schließt somit die Ölablauföffnung 24, so daß bei einem Schwenkwinkel α von 11° kein Öl mehr austreten kann. Ebenso deckt die Fläche 18 des Vorsprungs 12 den Ölzuführkanal 10 ab, so daß der Hohlraum 13 vollständig geschlossen ist. Bei weiterem Schwenken des Pleuels 7 und des Kolbenbolzens 5 in Richtung der Mittelstellung nähern sich die Konturen des Hohlraums 13 zwischen Kolbenbolzen 5 und Lagerschale 6, wo­ bei sich die Sehne 25 in Richtung auf die Gerade 27 bewegt, während die Mantelfläche 22 entlang dem Bogen 14 gleitet. Das in dem Hohlraum 13 eingeschlossene Öl wird aufgrund der Volumenverringerung komprimiert und in den Spalt der Kon­ taktfläche zwischen Lagerschale 6 und Kolbenbolzen 5 ge­ preßt.

Die rechte Seite der Fig. 3 zeigt den Hohlraum 13′ bei seinem kleinsten Volumen, das erreicht wird, wenn die Sehne 25 an der durch die Gerade 27′ gebildeten Kontur anliegt, während die linke Seite den Hohlraum 13 bei maximalem Vo­ lumen und geöffnetem Ölzuführkanal 10 und geöffneter Ölab­ laufbohrung 24 zeigt. Über den Ölzuführkanal 10 wird dabei Drucköl in den Hohlraum 13 gefördert, und belastetes er­ wärmtes Öl vom vorhergehenden Zyklus wird über die Ölab­ lauföffnung 24 in die Ölwanne zurückgeführt. Das frische Öl aus dem Ölzuführkanal 10 spült somit den Hohlraum 13 aus und kühlt damit die Bauteile. Bei der Rückbewegung des Pleuels 7 wird zunächst die Ölablaufbohrung 24 geschlossen und der Hohlraum 13 mittels Drucköl gefüllt, da die Radial­ bohrung 9 des Kolbenbolzens 5 erst später vollständig an der Dichtkante vorbeibewegt ist. Durch die weitere Schwenk­ bewegung des Pleuels wird der Hohlraum 13 verkleinert und in der bereits oben geschilderten Art der Druck aufgebaut, durch den eine Mischreibung zwischen Lagerschale 6 und Kol­ benbolzen 5 ausgeschlossen ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 2 dadurch, daß entlang der Längs­ achse L des Kolbens 2 in der Lagerschale 6 sowie dem Lager­ bereich 4 eine Bohrung 31 vorgesehen ist, durch die in der Mittelstellung des Pleuels 7 Drucköl an den Boden 3 ge­ spritzt wird, um den Kolbenboden zu kühlen. Auf diese Weise wird der Druckölstrom in dem Ölzuführkanal 10 in keiner Winkellage des Pleuels 7 abgesperrt, sondern abwechselnd den Hohlräumen 13 bzw. dem Kolbenboden 4 zugeführt.

Obwohl in den beschriebenen Ausführungsbeispielen die Hohl­ räume 13 und 13′ in der Lagerschale 6 ausgebildet sind, kann eine entsprechende Kontur auch direkt im Lagerbereich 4 des Kolbens 2 vorgesehen werden, z. B. bei Ausführungen ohne Lagerschale 6. Die Wirkungsweise ist dabei unverän­ dert.

Claims (15)

1. Kolben-Pleuel-Verbindung, insbesondere für einen Zwei­ takt-Verbrennungsmotor, bei welcher der Pleuel (7) an einem Kolbenbolzen (5) unbeweglich befestigt und der Kolbenbolzen (5) schwenkbar an einer Lagerfläche (28) des Kolbens (2) abgestützt und mit seinen Enden (15) in Kolbenaugen (16) gehalten ist und mit einem aus einer Längsbohrung (8) im Pleuel (7) sowie einer etwa deckungsgleichen Radialbohrung (9) im Kolbenbolzen (5) gebildeten Ölzuführkanal (10), durch den Drucköl des Motorschmiersystems einer aus der Lagerfläche (28) und der mit dieser zusammenwirkenden Oberfläche (22) des Kolbenbolzens (5) gebildeten Kontaktfläche zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten einer Mit­ telstellung des Pleuels (7) im Bereich der Kontaktflä­ che je ein durch die Bewegung des Pleuels (7) bezüglich seines Volumens veränderbarer Hohlraum (13, 13′) gebil­ det ist, wobei diese Hohlräume (13, 13′) zyklisch mit dem Ölzuführkanal (10) verbindbar sind, und das in den Hohlräumen (13, 13′) eingeschlossene Öl aufgrund der Volumenverringerung komprimiert und in den Spalt der Kontaktfläche zwischen Lagerfläche (28) und Kolbenbol­ zen (5) gepreßt wird.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (13, 13′) durch einen mittigen Vorsprung (12) an der Lagerfläche (28) und Ausnehmungen (11) an dem Kolbenbolzen (5) gebildet sind.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (13, 13′) ei­ ne in Richtung des Kolbenbolzens (5) längliche Er­ streckung (Breite B) aufweisen.

4. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraum (13, 13′) mit einer diesem zugeordneten verschließbaren Ölablauföffnung (24) versehen ist, wobei die Hohlräume (13, 13′) über die Ölablauföffnung (24) zyklisch entleerbar sind.

5. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (13, 13′) be­ zogen auf die Längsachse (L) von Kolben (2) und Pleuel (7) symmetrisch ausgebildet sind.

6. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (18) im Bereich des Vorsprungs (12) zwischen den Hohlräumen (13, 13′) als Verschlußstück für den Ölzuführkanal (10) in der Mittelstellung des Pleuels (7) ausgebildet ist.

7. Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Ränder (19, 19′) des Vorsprungs (12) als mit der Kontur des Kolben­ bolzens (5) zusammenwirkende Dichtkanten (20, 20′) ausgebildet sind.

8. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (28) von einem Punkt (P, P′) des Hohlraumes (13, 13′) ausgehend zu ihrem der Längsachse (L) des Kolbens (2) entfernt liegenden Ende eine bogenförmige Kontur (Bogen 14, 14′) aufweist, die der Mantelfläche des Kolbenbolzens (5) entspricht.

9. Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (28) zwischen dem Punkt (P,P′) des Hohlraumes (13, 13′) und der Dichtkante (20, 20′) eine annähernd geradlinige Kontur (Gerade 27, 27′) aufweist.

10. Verbindung nach Anspruch 2 oder einem der darauf rück­ bezogenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Ausnehmungen (11) am Kolbenbolzen (5) im wesentlichen entlang einer Sehne (25) durch den Kreisquerschnitt des Kolbenbolzens (5) verläuft.

11. Verbindung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der bezogen auf die Längs­ achse (L′) des Pleuels (7) radial nähere Bereich der Kontur als eine im Querschnitt V-förmige Vertiefung (26, 26′) ausgestaltet ist.

12. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (28) von einer im Kolben angeordneten Lagerschale (6) gebildet ist.

13. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Vorsprungs (12) eine Bohrung (31) vorhanden ist, durch die der Öl­ zuführkanal (10) in der Mittelstellung des Pleuels (7) in Richtung auf einen Kolbenboden (3) verlängert ist.

14. Verbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölablaufbohrung (24) durch eine Ausnehmung (32, 32′) am Rand (21, 21′) der Lagerschale (6) gebildet ist.

15. Verbindung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölablaufbohrung (24) so gestaltet ist, daß diese bei einem Schwenkwinkel (α) des Pleuels (7) von < 11° gegenüber der Längsachse (L) des Kolbens (2) geöffnet ist.