DE19530191A1 - Pleuelstange - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pleuelstange zur Übertragung von Energie zwischen einem Kolben und einer Kurbelwelle einer Hub­ kolbenmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.

Bei Hubkolbenmaschinen treten während des Betriebes im Kompres­ sionsraum hohe Drücke auf. Bei Otto- und Dieselmotoren kommt es durch den Verbrennungsvorgang zu einem schlagartig ansteigenden Druck auf den im oberen Totpunkt stehenden Kolben. Hierdurch entsteht eine Druckspitze, deren Energie - bedingt durch die Trägheit des Kurbeltriebes - bislang nicht nutzbar ist.

Aus der DE-OS 33 39 360 ist eine zweiteilige Pleuelstange für einen Hubkolbenmotor bekannt geworden, deren Pleuelhälften te­ leskopartig gegeneinander verschiebbar sind und zwischen denen eine in Richtung ihrer Längsachse wirksame, auf Zug und Druck beanspruchbare Feder angeordnet ist. Beim Arbeitstakt nimmt die Feder als Kraftspeicher einen Teil der Energie auf, um diese beim Aufwärtsbewegen des Kolbens wieder abzugeben.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß beim kinematischen Bewegungs­ vorgang einer einen Verschiebefreiheitsgrad in Pleuellängsrich­ tung aufweisenden Pleuelstange so hohe Beschleunigungen auftre­ ten, daß die Feder durch die Schwingung um die Federnullage hin zur maximalen Zugbelastung und zurück zur maximalen Druckbela­ stung rascher Materialermüdung unterliegt.

Insbesondere bei Lastwechseln treten starke Schwankungen des Spitzendruckes auf, die leicht zum Bruch oder wenigstens zu ei­ ner unerwünschten Längung der mechanisch und thermisch höchst­ belasteten, als Leistungsübertragungsglied dienenden Feder führt, wodurch in den Kompressionsraum hineinragende Ein- bzw. Auslaßventile der Hubkolbenmaschine gefährdet werden.

Ferner hat sich gezeigt, daß beim Durcheilen des unteren Tot­ punktes im Betrieb mit einer zweiteiligen Pleuelstange nach der DE-OS 33 39 360 eine stoßartige Belastung des Kolbenzapfens auftritt. Diese ist darin begründet, daß der Abbremsvorgang des abwärts eilenden Kolbens nicht stetig, wie bei einem herkömmli­ chen, steifen Pleuel, sondern erst einige Kurbelgrade nach Durcheilen des unteren Totpunktes (UT) ruckartig endet, also dann, wenn der Kurbelzapfen bereits eine zunehmend stark be­ schleunigte Aufwärtsbewegung ausführt. Die beiden kinematischen Bewegungen des einerseits in seiner Abwärtsbewegung beharrenden Kolbens und der diese entgegengesetzten, mit rasch ansteigender Beschleunigung erfolgenden Aufwärtsbewegung des Kurbelzapfens wirken sich besonders nachteilig auf die Kinematik aller an der Drehung der Kurbelwelle beteiligten Bauteile aus. Da, bedingt durch die laufende Änderung der geometrischen Zuordnung von Kolben und Kurbelzapfen, das am Kolbenzapfen wirkende Träg­ heitsmoment der hin- und hergehenden Massen schwankt, ist der Bewegungsablauf unsymmetrisch. Die in der Feder gespeicherte Energie der Druckspitze kann also nicht genutzt werden. Ist nämlich die Druckspitze abgeklungen, streckt sich die Feder über die Nullinie hinaus und es wird die Energie wieder an den Kolben zurückgegeben. Diese Unsymmetrie im Weg-/Zeitverhalten des Kurbeltriebes beeinträchtigt stark die Qualität der Ver­ brennung und verursacht eine stark schwellende Lagerlast, die zu frühzeitigem Verschleiß führt.

Ferner ist bei Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen in der Regel ein mehrere 1000 Umdrehungen pro Minute umfassender Drehzahlbe­ reich abzudecken. Hierbei muß auf die dynamische Eigenfrequenz der Feder größte Rücksicht genommen werden, wodurch der mögli­ che Betriebsbereich, in der die Flammfront der Verbrennung nicht durch auf den Kolben rückwirkende Schwingungen gestört wird, stark eingeschränkt ist. Aufgrund des beschriebenen un­ günstigen kinematischen Verhaltens sind häufige Wartungsinter­ valle vorzusehen, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Im Hinblick auf die Anforderungen bei modernen Hubkolbenmaschi­ nen an geringen Schadstoffausstoß, hohe Lebensdauer, Laufkultur und großen nutzbaren Drehzahlbereich sowie möglichst lange War­ tungsintervalle konnte sich dieses Pleuel nicht durchsetzen.

Zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme wird in der DE-OS 38 04 859 als Abhilfe ein Federkraft-Pleuel vorge­ schlagen, das aus einer Stahlhülse besteht, in deren Umfang ei­ ne Spiralwindung eingeschnitten und in deren Hülsenkopf ein Pleuelauge eingeschweißt ist. Der Hülsenboden weist ferner ein zweiteiliges Kolbenzapfenlager auf. Auf den üblichen Kompressi­ onsraum soll dort gänzlich verzichtet werden, da im Verdich­ tungstakt der Druck so stark ansteigen soll, daß die Feder nachgibt, und dadurch ein Volumen für den nicht eingeplanten Kompressionsraum im Zylinder schafft. Um das verbleibende Volu­ men im oberen Totpunkt (OT) so gering wie möglich zu halten, ist das Auslaßventil dort als Ringventil ausgebildet. Dies soll die Verbrennung verbessern und die durch die vorbeschriebene unsymmetrische Kinematik hervorgerufene Klopfneigungen vermei­ den.

Nach der Lehre der DE-OS 38 04 859 ist der Durchmesser der Fe­ der möglichst groß zu wählen. Dies hat zwar den Vorteil, daß die Feder relativ steif auszubilden ist, und so die Unsymmetrie im Weg-/Zeitverhalten verringert wird, aber andererseits zu un­ erwünscht großen oszillierenden Massen führt. Ferner bedingt die Anwendung eines solchen Federkraft-Pleuels die völlige Um­ gestaltung des gesamten Kompressionsraumes sowie des Zylinder­ kopfes, der mit einem Ringventil auszustatten ist. Auch unter­ liegt das Ringventil aufgrund seiner großflächig im Abgasstrom liegenden Ringfläche höchster, kaum beherrschbarer thermischer Belastung. Eine wirksame Abdichtung des Kompressionsraumes ist schwierig, da die Last des Verbrennungsdruckes auf das Ringven­ til nicht von einem üblichen Ventilsitz, sondern von den Steu­ erorganen des Ringventils aufgenommen wird. Da aber immer me­ chanisches Laufspiel vorzusehen ist, ist eine wirksame Abdich­ tung und Kühlung nur mit großem, das Fahrzeuggewicht erhöhenden Aufwand erzielbar. Bedingt durch die großen hin- und hergehenden Massenanteile ist der Kurbelzapfen zusätzlich stark belastet. Diese Belastung führt zu hoher Flächenpressung, die den mecha­ nischen Wirkungsgrad und die Lagerlebensdauer - insbesondere des Kurbelzapfenlagers - reduziert. Zusätzlich werden Eigen­ schwingungen der Feder angeregt, die einen Bruch der Feder oder der Kurbelwelle verursachen können und die bei der Verbrennung eine ungleichmäßige Flammfrontausbreitung bedingen, welche zu klopfender, unvollständiger Verbrennung führen.

Bei Ottomotoren sind geregelte Abgaskatalysatoren üblich, deren Katalysationsvermögen um so besser ist, je besser die Verbren­ nung an sich ist. Zwar erlauben bekannte Federkraft-Pleuel eine selbsttätige Anpassung des Verdichtungsverhältnisses durch eine niedrigere Verdichtung bei Vollast und eine höhere Verdichtung bei Teillast, doch beeinflußt die beschriebene Problematik des Kurbeltriebes bei lastabhängig unterschiedlichem Füllungsgrad bei Ottomotoren auch den Zündzeitpunkt, bzw. bei Dieselmotoren den Einspritzpunkt so nachteilig, daß die für die Erfüllung von Abgasnormen geforderte hohe Verbrennungsqualität nur in einem schmalen Drehzahl- bzw. Lastbereich realisierbar ist. Jenseits dieser schmalen Bereiche verschlechtert sich die Verbrennung gravierend.

Die Anwendung bekannter Federkraft-Pleuel ist deshalb bei Otto- oder Dieselmotoren besonders schwierig. Vor allem beeinträch­ tigt aber das mechanisch harte Aussetzen der Feder bei Errei­ chen der Federblocklänge die Ausbreitung der Flammfront im Ver­ brennungsraum eines benachbarten Zylinders bei Mehrzylinderma­ schinen. Die Folgen sind unvollständige Verbrennung, Klopfnei­ gung, hohe Lagerbelastung, hohe mechanische Belastung des Kur­ beltriebes und starke Geräuschemission.

Mit bekannten Pleuelstangen ist die gewünschte Übertragung des Spitzendruckes beim Verbrennungstakt bei Hubkolbenverbrennungs­ kraftmaschinen und beim Verdichtungstakt bei Hubkolbenkompres­ soren oder -pumpen nicht realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pleuelstange der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit der die Energie von Druck­ spitzen möglichst vollständig auf den Kurbeltrieb übertragbar ist, ohne die Kinematik des Kurbeltriebes und die Leistungscha­ rakteristik nachteilig zu beeinflussen und bei Otto- und Die­ selmotoren die weitere Reduzierung von Verbrennungsschadstoffen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Hierzu wird erfindungsgemäß eine Pleuelstange angegeben, bei der der Kraftspeicher als eine ein- oder mehrstufige Fluidfeder ausgebildet ist, und die allgemein auch für eine ein- oder mehrzylindrige Hubkolbenmaschine einsetzbar und ohne Umbaumaß­ nahmen nachrüstbar ist.

Die Erfindung nutzt die Elastizität einer Flüssigkeit. In kal­ tem Betriebszustand ist die Fluidfeder nach der Erfindung sehr steif. Dies begünstigt das Startvermögen, da erfahrungsgemäß die Start-Verdichtung - insbesondere bei Dieselmotoren und tie­ fen Temperaturen - über der optimalen Verdichtung liegen soll. Nimmt mit zunehmender Betriebstemperatur die Elastizität des in der Fluidfeder enthaltenen Fluids zu, so wird die Fluidfeder weicher. Unter einem Druck von 100 bar und 100°C wird z. B. bei gebräuchlichen Motorenölen eine Volumenkompression von etwa 1% erreicht. Bei Unterdruck tritt eine entsprechend geringe Ver­ größerung des Volumens ein. Diese Nachgiebigkeit des Motorenöls bedingt eine geringe, die Kinematik des Kurbeltriebes nicht nachteilig beeinflussende geometrische Verkürzung der Pleuel­ stangenlänge, die aber ausreicht, die Verdichtung lastabhängig so weit zu begünstigen, daß, unabhängig vom Füllgrad, eine op­ timale Flammfrontausbreitung und damit gleichmäßige Verbrennung erzielt wird. Dabei ist die Fluidfeder so steif, daß für die Kinematik und die Verbrennung nachteilige Schwingungen zwischen Kolben und Kurbelzapfen unterbleiben.

Während des Arbeitstaktes nimmt die Fluidfeder durch Druckspit­ zen verursachte Energie sofort auf und gibt sie zeitgedehnt an die Kurbelwelle ab, sobald der Druck auf die Pleuelstange nach­ läßt. Die Kinematik wird dadurch optimal begünstigt, so daß La­ gerbelastungen auf ein absolutes Minimum reduziert werden. Durch den hohen Gleichförmigkeitsgrad wird sowohl die Lebens­ dauer der Lagerungen und aller umlaufender Bauteile wesentlich verlängert als auch die Voraussetzung für eine sich gleichmäßig ausbreitende Flammfront geschaffen, so daß die Schadstoffemis­ sion weiter reduzierbar ist. Auf diese Weise wird also die in der Druckspitze liegende Energie nutzbar. Da der Kompressions- und anschließende Entspannungsvorgang sehr schnell erfolgt, un­ terbleibt eine größere Erwärmung des Fluids in der Fluidfeder.

Bei größeren Volumina verursacht jedoch die Fluidreibung eine Erwärmung des Fluids in der Fluidfeder. Dies wird erfindungsge­ mäß durch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung vermieden, wenn Hubkolbenmaschinen, die ein Druckölschmiersystem aufwei­ sen, eine oder jede Stufe der Fluidfeder und das Verzögerungs­ glied Teil des Druckölschmiersystems der Hubkolbenmaschine ist, so daß das darin enthaltene Drucköl laufend umgewälzt wird.

Es entsteht erfindungsgemäß eine besonders kompakte und wirt­ schaftlich herstellbare, einstufige Pleuelstange, wenn der dem Kurbelzapfen zugeordnete Pleuelteil als Hohlraum formender Hohlkörper ausgebildet ist, in dem der dem Kolben zugeordnete Pleuelteil ein Druckkolben ist, der einen Pumpraum innerhalb des Hohlkörpers begrenzt und in diesem fluidisch dichtend ver­ schiebbar gelagert ist. Dabei ist der Druckkolben von einer Druckfeder gegen einen Anschlag im Endbereich des dem Kurbel­ zapfen zugeordneten Pleuelteils kraftschlüssig gehalten, die sich an einem Ankerkopf eines relativ zum kurbelzapfenseitigen Pleuelteil axial einstellbaren Ankers abstützt. Die Fluidfeder wird durch den Hohlraum gebildet, der über eine Ölbohrung im Druckkolben und eine Ölbohrung im Kurbelauge über eine Druck­ leitung in dem Kurbelzapfen mit dem Druckölschmiersystem der Hubkolbenmaschine fluidisch kommuniziert. Die Druckölleitung kann dabei mit einem Rückschlagventil versehen sein, um Rück­ wirkungen auf das Druckölschmiersystem zu vermeiden.

Das Verzögerungsglied dieser Fluidfeder wird von einer Scheibe gebildet, die unter Bildung eines Überströmspaltes in dem rohr­ förmig ausgebildeten kolbenzapfenseitigen Pleuelteil verschieb­ lich gelagert ist. Die Scheibe ist von dem Anker durchsetzt. Der Ankerkopf weist ferner eine Dichtfläche auf, die mit einer Dichtfläche an der Scheibe in Wirkverbindung steht. Die Scheibe ist von einer sich an dem Anker abstützenden, axial einstellba­ ren Druckfeder gegen die Dichtfläche des Ankerkopfes kraftbe­ aufschlagt gehalten. Beim Zusammendrücken der Fluidfeder wird die zentrische Bohrung der Scheibe teilweise frei. Dadurch wird der Strömungsquerschnitt vergrößert und es kann in kurzer Zeit ein größeres Teilvolumen Drucköl von dem Pumpraum in den Hohl­ raum gelangen. Beim Entspannen der Fluidfeder wird die Bohrung mittels der Dichtflächen wieder geschlossen. Das Drucköl kann nur durch den am Scheibenrand gebildeten Überströmspalt vom Hohlraum zurück in den Pumpraum gelangen. In der Scheibe kann auch eine zusätzliche Überströmöffnung vorgesehen sein, die den Pumpraum mit dem Hohlraum fluidisch verbindet. Der Querschnitt des Überströmspalts bzw. der Überströmbohrung bestimmt die Zeitspanne, über die die in der Fluidfeder gespeicherte Energie ohne große Verlust abgegeben, die schnelle Rückbewegung der Fe­ der nach dem Einfedern jedoch verhindert wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach der Erfindung für eine Pleuelstange mit einer zweistufigen Fluidfeder besteht darin, daß in dem Hohlkörper ein Innenrohr angeordnet ist, das einen ersten Hohlraum von einem zweiten Hohlraum trennt, wobei der erste Hohlraum mit dem Pumpraum über Öffnungen konstanten Querschnitts und der Pumpraum mit dem zweiten Hohlraum über Ventilmittel veränderlichen Querschnitts in Verbindung steht. Diese Ausgestaltung kann bei Hubkolbenmaschinen Anwendung fin­ den, bei denen der Druckanstieg funktionsbedingt zunächst eine erste Federkennlinie und unter bestimmten Betriebsbedingungen eine zweite Federkennlinie erfordert. Hierbei sind die Feder­ kennlinien sowohl im Verhältnis erst steil, dann flach als auch erst flach, dann steil durch die Wahl des Volumens der Fluid­ räume zueinander besonders einfach zu dimensionieren.

Treten funktionsbedingt relativ hohe Leckölanteile auf, so ist es vorteilhaft, die Pleuelstange so auszubilden, daß der Hohl­ raum über eine Ölbohrung im Kurbelzapfenauge mit einer Kurbel­ zapfenlagertasche und der Pumpraum über eine Ölbohrung im Kol­ benbolzenauge mit einer Kolbenbolzenlagertasche verbunden ist, wobei die Druckölversorgung durch eine mit einem Rückschlagven­ til versehene Druckleitung in der Kurbelwelle erfolgt. Dabei sind die Kolbenbolzenlagertasche und die Kurbelzapfenlagerta­ sche in Form einer schmalen Nut ausgebildet, die sich bogenför­ mig über einen Winkel von ca. 130° erstreckt, so daß die druck­ beaufschlagte Fläche der Lagertaschen geringer ist als die Querschnittsfläche des Druckkolbens. Durch diese Ausbildung wird auf überraschend einfache Weise der Hohlraum bei Auftreten eines Stoßes selbsttätig fluidisch abgedichtet, so daß die Fe­ derwirkung des Fluids in vollem Umfang genutzt werden kann.

Für besonders langhubige Hubkolbenmaschinen ist es von Vorteil, wenn der dem Kurbelzapfen zugeordnete Pleuelteil wesentlich länger als der dem Kolbenbolzen zugeordnete Pleuelteil ist, wo­ durch eine hohe Knicksicherheit der Pleuelstange nach der Er­ findung erreicht wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist eine, die Energie von Druckspitzen auf den Kurbeltrieb übertragende Pleuelstange ge­ schaffen, mit der die Kinematik des Kurbeltriebes nicht für die Verbrennung nachteilig beeinflußt wird. Die geometrische Zuord­ nung bleibt soweit erhalten, daß das erfindungsgemäße Pleuel kinematisch sich wie ein steifes Pleuel verhält, aber die Ener­ gie der Druckspitze sanft auf die Lagerungen überträgt. Diese Energieausnutzung und die ausgeglichene Belastung erhöht den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die Laufkultur entscheidend. Weiter erfolgt eine sich selbsttätig den Betriebszuständen an­ passende Veränderung der Verdichtung. Bei entsprechender Ausle­ gung der geometrischen, temperatur- und lastabhängigen Längen­ änderung der Pleuelstange nach der Erfindung kann auf besonders einfache Weise die Verdichtung für eine optimale Treibstoffaus­ nutzung und schadstoffarme Verbrennung systemimmanent angepaßt werden. Durch das ausgewogene kinematische Verhalten des Kur­ beltriebes können ferner die Wartungsintervalle weiter verlän­ gert werden. Auch ist bei einer Pleuelstange mit einer Fluidfe­ der die Eigenfrequenz so hoch, daß ein unterkritischer Betrieb möglich ist. Mit der Erfindung steht somit eine universell für Hubkolbenmaschinen aller Art einsetzbare Pleuelstange zur Ver­ fügung, die Druckspitzen zeitgedehnt auf den Kurbeltrieb über­ trägt und darüber hinaus die Grundlage für eine weitere Schad­ stoffreduzierung bei Otto- und Dieselmotoren schafft.

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

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer Pleuel­ stange nach der Erfindung mit einem einstufigen flui­ dischen Kraftspeicher und einem Verzögerungsglied und

Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer Pleuel­ stange mit einem zweistufigen fluidischen Kraftspei­ cher mit zugeordneten Dämpfungsgliedern, wobei rechtsseitig der Zustand der ersten Stufe und links­ seitig der Zustand der zweiten Stufe gezeigt sind.

In Fig. 1 ist eine zweiteilige Pleuelstange 1 gezeigt, die ei­ nen einstufigen Kraftspeicher in Form einer Fluidfeder 2 auf­ weist. Die Pleuelstange 1 weist einen ersten, dem Kurbelzapfen zugeordneten Pleuelteil 3 und einen dem Kolben der Hubkolbenma­ schine zugeordneten, vom Kolbenbolzen durchsetzten Pleuelteil 4 auf. Der Fluidfeder 2 ist ein in deren Zugrichtung fluidisch wirksames Verzögerungsglied 5 innerhalb des Pleuelteils 3 zu­ geordnet.

Der kurbelzapfenseitige Pleuelteil 3 weist an einem Ende ein Kurbelzapfenauge 30 auf, das ein- oder zweiteilig ausgebildet sein kann und ein Kurbelzapfenlager 6 trägt, das einen Kurbel­ zapfen 7 der nicht dargestellten Kurbelwelle drehgelenkig um­ schließt. Der Pleuelteil 3 ist als länglicher, einen Hohlraum 10 bildender Hohlkörper 25 runden Querschnitts geformt, dessen Länge wesentlich größer als die des anderen Pleuelteils 4 ist. Ein Ende des Pleuelteils 3 bildet ein im Bereich des Kurbel­ zapfenauges 30 angeordneter Hohlkörpergrund 26 und das andere Ende ein Pleuelhals 31. Am Hohlkörpergrund 26 ist eine Ölboh­ rung 14 angeordnet, die in eine Kurbelzapfenlagertasche 13 des Kurbelzapfenlagers 6 mündet. Die Kurbelzapfenlagertasche 13 ist eine schmale, radiale Ausnehmung in dem Kurbelzapfenlager 6, die ein Segment umspannt, das dem Kolben zugewandt ist. Die Ausnehmung ist im Kurbelzapfenlager mittig angeordnet.

Der Pleuelteil 4 ist als Druckkolben 41 ausgebildet, der an ei­ nem Ende ein dem Kolben der Hubkolbenmaschine zugeordnetes Kol­ benbolzenauge 33 aufweist, in dem ein Kolbenbolzen 35 mittels eines Kolbenbolzenlagers 34 schwenkbar gelagert ist. Am anderen Ende weist der Druckkolben 41 eine Schiebepassung 36 auf, die zum Kolbenbolzenauge 33 hin einen Druckkolbenhals 37 bildet. Innerhalb des Druckkolbens 41 ist ein Pumpraum 15 vorgesehen, von dem aus eine Ölbohrung 16 in eine Kolbenbolzenlagertasche 17 des Kolbenbolzenlagers 34 mündet. Die Kolbenbolzenlagerta­ sche 17 ist eine schmale, radiale Ausnehmung in dem Kolbenbol­ zenlager 34, die ein Segment umspannt, das dem Kurbelzapfen 7 zugewandt ist. Die Ausnehmung ist im Kolbenbolzenlager 34 mit­ tig angeordnet.

Die Taschen 13 und 17 sind so bemessen, daß ihre Fläche jeweils kleiner ist als die fluidisch wirksame Querschnittsfläche des Druckkolbens 41. Ferner ist das Segment jeweils kleiner als 170° - symmetrisch zur Pleuelstangenlängsachse betrachtet - vor­ zusehen, damit ein lastabhängiger Selbstdichtungseffekt der Fluidfeder durch den Kolbenbolzen und den Kurbelzapfen beim Zu­ sammendrücken der Pleuelstange entsteht. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel ca. 130°.

In dem dem Kurbelzapfenauge 30 abgewandten Pleuelhals 31 des Pleuelteils 3 ist der Pleuelteil 4 mittels der Schiebepassung 36 axial verschieblich gelagert. Am Ende des Pleuelhalses 31 ist ein Anschlag 9 in Form eines in einer Ringnut eingelegten Federrings vorgesehen, an dem der Druckkolben 41 mit seinem Druckkolbenhals 37 anliegt und die maximale Pleuelstangenlänge definiert.

In ein am Hohlkörpergrund 26 zentrisch zum Hohlraum 10 liegen­ des Gewinde 8 greift ein Gewinde 49 eines in dem Gewinde 8 axial einstellbaren Ankers 28, dessen Lage mittels einer Kon­ termutter 51 feststellbar ist. Der Ankerkopf 29 reicht in den Pumpraum 15 des Druckkolbens 41. An dem Ankerkopf 29 stützt sich eine Druckfeder 27 ab, die den Druckkolben in Anlage mit dem Anschlag 9 hält.

Der Hohlraum 10 des Kraftspeichers 2 wird mit Öl aus dem nicht dargestellten Öldrucksystem der Hubkolbenmaschine über eine in dem Kurbelzapfen 7 radial austretende, von einem Rückschlagven­ til 12 gegen Rückfluß gesicherte Druckölleitung 11 während des Anlaßvorganges der Hubkolbenmaschine befüllt und während des Betriebes entsprechend der aus dem Kolbenbolzenlager 34 und dem Kurbelzapfenlager 6 sowie aus der Schiebepassung 36 austreten­ den Leckölmenge nachversorgt.

Die Druckölleitung 11 ist im umlaufenden Kurbelzapfen 7 so an­ geordnet, daß diese die Kurbelzapfenlagertasche 13 erreicht, wenn die Fluidfeder entspannt ist.

Der Anker 28 weist eine in den Hohlraum 10 weisende Dichtungs­ fläche 44 auf, die in Wirkverbindung mit der, aus dem Hohlraum weisenden Dichtungsfläche 43 einer Scheibe 50 steht. Die Scheibe 50 weist zentrisch eine Bohrung 48 auf, durch die der Anker 28 greift. Die Scheibe 50 ist von einer dem Anker 28 zu­ geordneten, in ihrer Vorspannung mittels eines auf dem Gewinde 49 des Ankers 28 axial verstellbaren Federsitzes 52 einstellba­ ren Druckfeder 18 mit ihrer Dichtfläche 43 gegen die Dichtflä­ che 44 des Ankers 28 dicht schließend gehalten. Zwischen der Scheibe 50 und der Innenwandung des Hohlkörpers 25 ist ein Überströmspalt 46 in Form eines schmalen, umlaufenden Spaltes vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ können den Pumpraum 15 mit dem Hohlraum 10 verbindende Überströmbohrungen 47 vorgese­ hen werden, wenn die Federcharakteristik dies erfordert.

Beim Zusammendrücken der Pleuelstange 1 durch den Druckkolben 41 baut sich rasch gleicher Druck im Pumpraum 15 und Hohlraum 10 auf, da das Volumen des Pumpraumes in der Regel kleiner ist als das des Hohlraumes 10. Dadurch wird schnell ein der Ener­ giemenge der Druckspitze proportionales Teilvolumen aus dem Pumpraum 15, vorbei am Ankerkopf 29, in den Hohlraum 10 geför­ dert.

Die Scheibe 50 unterteilt die Fluidfeder in zwei Räume 10 und 15 mit jeweils unterschiedlich großen Volumina. Beim anschlie­ ßenden Nachlassen des äußeren Drucks auf die Pleuelstange 1 verringert sich zunächst auch der Druck im Pumpraum 15, der dann einen zeitgedehnten Rücklauf des Teilvolumens vom Hohlraum 10 in den Pumpraum 15 auslöst, wobei das Öl gedrosselt durch den Überströmspalt 46 am äußeren Umfang der Scheibe 50 fließt.

Durch Bemessung der Volumina aller federnd wirksamen Hohlräume kann unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des Öls auf einfach Weise die Verzögerungscharakteristik vorbe­ stimmt werden. Dazu wird der wirksame Querschnitt des Über­ strömspaltes 46 bzw. der Überströmbohrung 47 derart zu bemes­ sen, daß das während des Zusammendrückens der Pleuelstange 1 von dem Pumpraum 15 in den Hohlraum 10 gepumpte Teilvolumen in­ nerhalb einer entsprechend der Drehfrequenz der Hubkolbenma­ schine vorgegebenen Zeitspanne vor Erreichen des erneuten Zu­ sammendrückens der Pleuelstange aus dem Hohlraum 10 ohne große Druckverluste wieder in den Pumpraum 15 zurückfließen kann. Ein schnelles Zurückfließen wird jedoch behindert und dadurch ein Eigenschwingen des Volumenmasse-Ölfeder-Systems vermieden.

In Fig. 2 ist eine Pleuelstange 1 mit einer zweistufigen Fluid­ feder 2 gezeigt, die durch einen ersten, dem Kurbelzapfen zuge­ ordneten Pleuelteil 3 und einen dem Kolben der Hubkolbenma­ schine zugeordneten Pleuelteil 4 gebildet wird.

Da die Pleuelteile 3 und 4 im wesentlichen gleichen Aufbau - wie die bereits in Fig. 1 beschrieben - aufweisen, werden glei­ che Teile mit gleichen Bezugsziffern benannt.

In dem Hohlraum 10 des Pleuelteils 3 ist anstelle des Ankers ein Innenrohr 32 vorgesehen, das fest mit dem Hohlkörpergrund 26 verbunden ist und einen konzentrisch den ersten Hohlraum 10 umgebenden zweiten Hohlraum 20 formt. Am oberen Ende weist das Innenrohr 32 einen radialen Bund 32′ auf, der an dem Hohlkörper dichtend anliegt und den Pumpraum 15 vom zweiten Hohlraum 20 trennt. Durch die Ausgestaltung der Pleuelstange mit den kon­ zentrischen Druckräumen wird eine gleichmäßige Druckverteilung auf den Hohlkörper 25 erreicht, so daß bei längeren Pleuelstan­ gen keine druckbedingte unsymmetrische Verformung eintritt. Der Pumpraum 15 steht mit dem zweiten Hohlraum 20 mittels in dem Innenrohr 32 eingebrachter Öffnungen 21 in fluidischer Wirkver­ bindung.

Der Druckkolben 41 ist von einer sich an dem Innenrohr 32 ab­ stützenden Druckfeder 27 mit dem Druckkolbenhals 37 gegen einen Anschlag 9 im Bereich des Pleuelhalses 31 des dem Kurbelzapfen 7 zugeordneten Pleuelteils 3 gehalten. Ferner weist der Druck­ kolben 41 einen axial einstellbaren, den Pumpraum 15 durchset­ zenden Schieber 42 auf, der den Hohlraum 10 vom Pumpraum 15 trennt. Der Pumpraum 15 ist über Öffnungen 39 im Schieber 42 mit dem ersten Hohlraum 10 fluidisch verbunden. Am innerseiti­ gen Ende des Schiebers 42 ist eine die Öffnung 21 abdeckende Schiebepassung 38 vorgesehen. Am Schieber 42 ist vor der Schie­ bepassung eine umlaufende Steuerkante 23 vorgesehen, die bei axialer Verschiebung des Druckkolbens 41 die Öffnungen 21 frei­ gibt und den zweiten Hohlraum 20 fluidisch dem Pumpraum 15 zu­ schaltet.

Über die in das Kurbelzapfenlager 6 führende Ölbohrung 14 im Kurbelauge 30 wird über die Druckleitung 11 des Druckölschmier­ systems in dem Kurbelzapfen 7 der Hohlraum 10 und über die Öl­ bohrung 16 das Kolbenbolzenlager 34 mit Drucköl versorgt.

Die Federkennlinie der ersten Stufe wird bestimmt durch die hy­ draulisch wirksame Fläche des Druckkolbens 41 im Verhältnis zu den Volumina im Pumpraum 15 und Hohlraum 10, wobei auch der Hohlraum 20 der zweiten Stufe über die Überströmbohrung 22 ei­ nen zusätzlichen Einfluß hat.

Die Querschnitte der Öffnungen 21 sind so groß gewählt, daß möglichst keine Strömungsverluste durch die Öffnung selbst er­ zeugt werden. Die Federkennlinie der zweiten Stufe wird daher bestimmt durch die hydraulisch wirksamen Flächen des Druckkol­ bens 41 im Verhältnis zum Volumen im Pumpraum 15 und dem Ge­ samtvolumen der Hohlräume 10 und 20. Eine stark progressive Fe­ derkennlinie der zweiten Stufe wird erzielt, wenn der Schieber 42 einen zum Pumpraum 15 hin auslaufenden und zur Steuerkante 23 sich hin verjüngenden, in den ersten Hohlraum 10 ragenden Konus 24 aufweist.

Aufgrund der geringen Kompressibilität und des im Zwischenraum zwischen Konus 24 und Schieberpassung 38 befindlichen Volumens wirkt der Konus auch als Verzögerungsglied 5 der ersten Stufe. Dabei bestimmt die Steigung des Konus 24 die Progressionsrate. Bei zunehmendem Eintauchen des Schiebers 42 in den Hohlraum 10 reduziert sich der fluidisch wirksame Durchströmquerschnitt zwischen Pumpraum 15 und erstem Hohlraum 10 durch den Konus 24, so daß bei zunehmendem Federweg der Durchflußquerschnitt gerin­ ger wird. Hierdurch kann auch die Charakteristik beider Stufen ausgewogen gestaltet werden. Dies kann notwendig sein, wenn die Hohlräume stark unterschiedliche Volumina aufweisen. Ist eine lineare Charakteristik der Fluidfeder gewünscht, kann diese einfach dadurch erzielt werden, daß der konische Abschnitt zy­ lindrisch gehalten ist.

Die Öffnungen 21 und Verbindungsbohrungen sind so dimensio­ niert, daß sie die Strömung nicht behindern und auf diese Weise widerstandsfreie Verbindungen zwischen dem Hohlraum 10 und dem Pumpraum 15 sowie nach Freigabe durch die Steuerkante 23 zwi­ schen dem Pumpraum 15 und dem zweiten Hohlraum 20 schaffen. So­ lange das Pleuel kürzer wird, fließt Öl durch die Öffnungen 21 vom Pumpraum 15 in den zweiten Hohlraum 20, und zwar zwischen dem Konus 24 und dem inneren Rand des Innenrohres 32 hindurch. Der Konus soll dabei lediglich ein übermäßiges Eintauchen des Druckkolbens 41 durch seine kinetische Energie über den Punkt des Ausgleichs der statischen Kräfte hinaus durch Abdrosseln des Zuflusses zum zweiten Hohlraum 20 verhindern.

Zur Vermeidung der schnellen Entspannung des Öls im Hohlraum 20 wird das Rückschlagventil 19 durch den im Hohlraum 20 herr­ schenden Druck geschlossen und es erfolgt der Druckausgleich des zweiten Hohlraumes 20 ausschließlich durch die Überström­ bohrung 22 in den Pumpraum 15, wobei auch die auf das Rück­ schlagventil 40 wirkende Druckfeder 27 einen Einfluß ausübt, so daß die in der Fluidfeder gespeicherte Energie sanft auf den Kurbeltrieb übertragen wird. Auf diese Weise wird der Druckkol­ ben 41 zeitgedehnt wieder nach außen geschoben (Phase der Ener­ gieabgabe).

Claims (20)

1. Pleuelstange zur Übertragung der Energie zwischen einem Kolben und einer Kurbelwelle in einer Hubkolbenmaschine, wobei die Pleuelstange zwei in Pleuelstangenlängsrichtung relativ zueinander axial verschiebliche Pleuelteile (3, 4) aufweist, die über einen in Längsrichtung wirksamen Energiespeicher (2) miteinander in Wirkverbindung stehen, wobei das kolbenbolzenseitige Pleuelteil (4) ein Kolben­ bolzenlager (34) mit einem Kolbenbolzenauge (33) und das einem Kurbelzapfen (7) der Kurbelwelle zugeordnete Pleu­ elteil (3) ein Kurbelzapfenlager (6) mit einem Kurbelzap­ fenauge (30) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher als eine ein- oder mehrstufige Fluidfeder (2) ausgebildet ist.

2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidfeder (2) ein in Fluidfederarbeitsrichtung wirkendes Verzögerungsglied (5) zugeordnet ist.

3. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,
daß der dem Kurbelzapfen (7) zugeordnete Pleuelteil (3) als einen Hohlraum (10) formender Hohlkörper ausgebildet ist, in dem der dem Kolben zugeordnete Pleuelteil (4) als axial verschiebbarer Druckkolben (41) ausgebildet ist, der fluidisch dichtend einen Pumpraum (15) begrenzt und
daß der Druckkolben (41) mittels einer Druckfeder (27) gegen einen Anschlag (9) im Endbereich (Pleuelhals 31) des kurbelzapfenseitigen Pleuelteils (3) kraftschlüssig gehalten ist.

4. Pleuelstange nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem kurbelzapfenseitigen Pleuelteil (3) ein Anker (28) befestigt ist, der sich innerhalb des Hohlraums (10) erstreckt, wobei ein Ankerkopf (29) in den Pumpraum (15) ragt und sich die Druckfeder (27) an dem Ankerkopf (29) abstützt.

5. Pleuelstange nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (5) der Fluidfeder von einer Scheibe (50) gebildet wird, die unter Bildung eines Über­ strömspaltes (46) in dem rohrförmig ausgebildeten kolben­ zapfenseitigen Pleuelteil (3) verschieblich gelagert ist.

6. Pleuel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (50) von dem Anker (28) durchsetzt ist, wobei der Ankerkopf (29) eine Dichtfläche (44) aufweist, die mit einer Dichtfläche (43) der Scheibe (50) zusammen­ wirkt und die Scheibe gegen die Dichtfläche (44) des An­ kerkopfes (29) von einer sich an einem Federsitz (52) ab­ stützenden Druckfeder (18) kraftbeaufschlagt gehalten ist.

7. Pleuelstange nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Scheibe (50) als eine kalibrierte Bohrung ausge­ führte Überströmöffnung (47) aufweist, die den Hohlraum (10) mit dem Pumpraum (15) fluidisch verbindet.

8. Pleuelstange nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlkörper ein Innenrohr (32) angeordnet ist, das den ersten Hohlraum (10) von einem zweiten Hohlraum (20) trennt und in dem Innenrohr (32) ein am Druckkolben (41) befestigter Schieber (42) geführt ist.

9. Pleuelstange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schieber (42) Verbindungsöffnungen (39) zwi­ schen dem Pumpenraum (15) und dem ersten Hohlraum (10) vorgesehen sind.

10. Pleuelstange nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Innenrohr (32) an seinem pumpenkammerseitigen En­ de einen radialen Bund (32′) aufweist, der den zweiten Hohlraum (20) von der Pumpenkammer (15) trennt, wobei in dem radialen Bund (32′) das Verzögerungsglied (5) ange­ ordnet ist.

11. Pleuelstange nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzögerungsglied (5) in dem radialen Bund (32′) mindestens eine Überströmöffnung (22) mit einem Rück­ schlagventil (40) eingebracht ist.

12. Pleuelstange nach Anspruch 3 und 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckfeder (27) an dem radialen Bund (32′) abge­ stützt ist und zur Kraftbeaufschlagung des Rückschlagven­ tils (40) dient.

13. Pleuelstange nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer zweiten Dämpfungsstufe das innen­ rohrseitige Ende des Schiebers (42) einen sich zu einer umlaufenden Steuerkante (23) hin verjüngenden Konus (24) aufweist.

14. Pleuelstange nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Innenrohr (32) Öffnungen (21) vorgesehen sind, so daß der Pumpraum (15) mit dem zweiten Hohlraum (20) fluidisch verbindbar ist, indem bei axialer Verschiebung des Druckkolbens die Öffnungen (21) von der Steuerkante (23) freigebbar sind.

15. Pleuelstange nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfung der zweiten Stufe der Fluidfeder (2) durch die hydraulisch wirksamen Flächen des Kolbens (41) im Verhältnis zum Volumen des Pumpraums (15) und dem Ge­ samtvolumen der Hohlräume (10 und 20) bestimmt ist.

16. Pleuel nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (21) mit einem Rückschlagventil (19) versehen sind, das den Rückstrom des Drucköls aus dem zweiten Hohlraum (20) entlang des Konus (24) verhindert.

17. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hubkolbenmaschine ein Druckölschmiersystem auf­ weist und eine oder jede Stufe der Fluidfeder (2) Teil des Druckölschmiersystems der Hubkolbenmaschine ist.

18. Pleuelstange nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (10) über eine Ölbohrung (14) im Kurbel­ zapfenauge (30) mit einer Kurbelzapfenlagertasche (13) und der Pumpraum (15) über eine Ölbohrung (16) im Kolben­ bolzenauge (33) mit einer Kolbenbolzenlagertasche (17) verbunden ist, wobei die Druckölversorgung durch eine mit einem Rückschlagventil (12) versehene Druckleitung (11) in der Kurbelwelle erfolgt.

19. Pleuelstange nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzenlagertasche (17) und die Kurbelzap­ fenlagertasche (13) sich in Form einer Nut bogenförmig über einen Winkel von ca. 130° symmetrisch zur Pleuel­ stangenlängsachse erstrecken und in axialer Richtung le­ diglich ein geringes Maß als die Breite der Lagerschale in axialer Richtung aufweisen, so daß die druckbeauf­ schlagte Fläche der Lagertaschen (13, 17) geringer ist als die Querschnittsfläche des Druckkolbens (41).

20. Pleuelstange nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der dem Kurbelzapfen zugeordnete Pleuelteil (3) we­ sentlich länger als der dem Kolben zugeordnete Pleuelteil (4) ist.