DE19741491C1

DE19741491C1 - Kolbenbolzen und Verfahren zur Herstellung eines Kolbenbolzens

Info

Publication number: DE19741491C1
Application number: DE19741491A
Authority: DE
Inventors: Joerg Vogelsang
Original assignee: Joerg Vogelsang & Co GmbH
Current assignee: Joerg Vogelsang & Co GmbH
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-09-20
Also published as: US6038943A

Description

Zur Verbindung der Kolben mit den Pleueln von Verbren nungskraftmaschinen dienende Kolbenbolzen sind in viel facher Ausgestaltung bekannt. Sie können z. B. aus Vollma terial bestehen und auch in eine Schlitzhülse eingebettet sein (DE-PS 956 551). Derartige Kolbenbolzen bestehen mithin aus einem dauerelastischen Kern und einer ver schleißfesten Außenhülse. Nachteilig ist das große Ge wicht der Kolbenbolzen, da sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren üblicherweise Kolbengeschwindigkeiten von im Durchschnitt 20 m/sec erreicht werden. Die Massenbe schleunigung der Kolbenbolzen ist also aufgrund der Hub bewegung enorm hoch. Ferner können sie hülsenartig ge staltet sein (DE-OS 35 25 577). Des weiteren zählen mehr lagige Kolbenbolzen zum Stand der Technik (DE-PS'n 30 09 424 und 30 23 204). Auch derartige Kolbenbolzen be sitzen ein vergleichsweise hohes Gewicht mit der damit verbundenen hohen Massenbeschleunigung.

Alle diese Kolbenbolzen weisen die Eigenschaft auf, dass ihr Herstellungsaufwand groß ist. Es sind insbesondere Zerspannungsarbeiten durchzuführen, und zwar sowohl wenn aus einem Vollmaterial ein Kolbenbolzen hergestellt oder wenn ein Kolbenbolzen von einem Rohrabschnitt erzeugt wird. Zerspannungsarbeiten erfordern aber die Bereitstel lung von entsprechenden Maschinen sowie Schmier- und Kühlmittel. Ferner ist es erforderlich, das abgetragene Material sowie die Schmier- und Kühlmittel in geeigneter Weise zu entsorgen. Der Energieaufwand hierfür sowie auch die Belastungen der Umwelt sind hoch.

Im Umfang der US 1,477,622 ist ein geschlitzter hohler Kolbenbolzen bekannt, bei dem im Längsverlauf des an der äußeren Oberfläche eine gleich bleibende Breite aufweisenden Schlitzes sich in der Bolzenwand ein Längskanal erstreckt, der von einer Stirnseite des Kolbenbolzens aus in Richtung zur anderen Stirnseite im Querschnitt kleiner wird. In diesen Längskanal wird ein Spreizelement eingetrieben, das sich gegebenenfalls an dem dem Schlitz gegenüberliegenden inneren Umfangsbereich des Kolbenbolzens geführt abstützt. Nach dem Einsetzen des Kolbenbolzens in den Kolben und das Pleuel wird das Spreizelement in Längsrichtung des Längskanals verlagert, so dass sich der Schlitz erweitert und der Kolbenbolzen örtlich lagefixiert wird. Ein derartiger Kolbenbolzen ist folglich zweiteilig ausgeführt und erfordert einen hohen Bearbeitungs- sowie Montageaufwand.

Aus der US 1,435,406 geht hervor, einen längsgeschlitzten hohlen Kolbenbolzen am Innenumfang mit gegenläufigen Gewinden zu ersehen. In die Innengewinde werden Muttern gedreht, so dass der Längsschlitz sich verbreitern kann, wodurch der Kolbenbolzen in Aufnahmebohrungen des Kolbens festgelegt wird. Im mittleren Längenbereich wird der Kolbenbolzen von dem geschlitzten Pleuel umschlossen. Die beiden Hälften des Pleuels werden mit Hilfe eines Schraubbolzens gegeneinander und fest um den mittleren Längenbereich des Kolbenbolzens gezogen. Als Verdrehsicherung dienen den Längsschlitz querende umfangsseitige Aussparungen am Kolbenbolzen, die auch von dem Schraubbolzen tangiert werden. Dieser Kolbenbolzen ist ebenfalls mehrteilig und erfordert somit einen hohen Herstellungs- und Montageaufwand.

Schließlich ist im Umfang der DE-PS 7 17 516 ein Überdruckventil für einen Flüssigkeitsstoßdämpfer eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem der Ventilkörper unter Federdruck in Berührung mit dem Ventilsitz gehalten ist. Der Ventilsitz ist mit dem Ventilkörper durch einen als geschlitzte Rohrfeder ausgebildeten Querbolzen verbunden. Wirkt ein Druck auf den Ventilkörper, so ruft der Druck eine Umfangsverringerung der Rohrfeder hervor. Dadurch entsteht zwischen der Bohrung des Ventilkörpers und dem Verbindungsglied ein Spielraum, um dessen Betrag der Ventilkörper vom Ventilsitz abgehoben wird. Hört der Überdruck auf, so dehnt sich die Rohrfeder wieder aus und drückt den Ventilkörper auf den Ventilsitz zurück.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenbolzen zu schaffen, der bei deutlich verringertem Energie- und Fertigungsaufwand un ter Schonung der Umwelt wirtschaftlich hergestellt werden kann sowie im Hinblick auf die Massenbeschleunigungs kräfte ein geringes Gewicht besitzt.

Die gegenständliche Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach ist der Kolbenbolzen aus einer spanlos gerollten, längsgeschlitzten Hülse gebildet. Die Herstellung eines derartigen Kolbenbolzens bedarf keine zerspannenden Ma schinen und folglich auch keine hierauf abgestellten Schmier- und Kühlmittel mehr. Der entsprechende Bereit stellungs- und Investitionsaufwand entfällt. Zum Rollen der Hülse ist ein deutlich geringerer Energieaufwand er forderlich. Die Umwelt wird merklich geringer belastet.

Durch den Längsschlitz in der Hülse kann eine zusätzliche Schmierung des Kolbenbolzens von innen nach außen erfol gen. Hierdurch wird eine wesentliche Verbesserung der Öl schmierung an der Lagerung des Kolbenbolzens im Bereich Kolbenbolzen - Pleuel - Kolbenboden erzielt. Das Ergebnis ist ein deutlich verbesserter thermischer Wärmeausgleich im Bereich der kritischen Lagerstellen.

Die Wanddicke der Hülse wird im mittleren Längenbereich gleich bemessen, während sie zu den Stirnseiten hin gleichmäßig abnimmt. Dadurch wird im mittleren Längenbereich der Hülse ein zylindrischer Längenabschnitt geschaffen, an den sich zu den Stirnseiten hin konisch erweiternde Abschnitte anschließen.

Im Vergleich zum Stand der Technik vereinigt die Erfin dung den dauerelastischen und den oberflächenharten Part eines Kolbenbolzens in einem einzigen Bauteil. Hiermit ist der weitere Vorteil verbunden, dass das Gewicht eines Kolbenbolzens deutlich reduziert werden kann, was gerade bei den heutigen üblichen Kolbengeschwindigkeiten von im Durchschnitt 20 m/sec erhebliche Vorteile mit sich bringt. Die Massenbeschleunigung kann merklich verringert werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 2. Danach verläuft der Längsschlitz der Hülse in einer Ebene, die sich durch die Längsachse der Hülse erstreckt.

Eine weitere Ausführungsform wird in den Merkmalen des Anspruchs 3 erblickt. Hierbei hat der Längsschlitz einen wellenförmigen Verlauf.

Vorteilhaft kann es gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ferner sein, wenn die den Längsschlitz begrenzenden Längskanten der Hülse nut- und federartig miteinander verclincht sind.

Insbesondere bei einem gerade verlaufenden Schlitz in ei ner sich durch die Längsachse der Hülse erstreckenden Ebene kann es entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 5 von Vorteil sein, wenn die den Längsschlitz begrenzenden Längskanten der Hülse flächig aneinander liegen.

Denkbar ist aber auch eine Ausbildung gemäß Anspruch 6, wonach die Längskanten mit Abstand einander gegenüber liegend angeordnet sind.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines ge schlitzten Kolbenbolzens ist in den Merkmalen des An spruchs 7 gekennzeichnet.

Hierbei wird zunächst Bandstahl mit einer der Rohlänge des Kolbenbolzens entsprechenden Breite an einer Bandseite unter Belassung eines mittleren Stegs zu einem Formband doppelkonisch gewalzt. Dieses Formband wird dann auf ein Coil gewickelt. Beim Abziehen des Formbands vom Coil werden nacheinander Formbandstreifen mit einer der Umfangslänge eines Kolbenbolzens entsprechenden Länge vom Formband abgetrennt und danach spanlos zu geschlitzten Hülsen gerollt. Hierbei ist der mittlere Steg des Formbands nach innen, d. h. zur Längsachse, gerichtet. Diese Hülsen werden nunmehr an beiden Stirnseiten exakt bearbeitet, anschließend in der erforderlichen Weise gehärtet und letztlich umfangsseitig im vorgesehenen Toleranzbereich geschliffen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im vertikalen Längsschnitt eine Kolben- Pleuel-Verbindung;

Fig. 2 in der Seitenansicht eine Hülse als Kolben bolzen für die Verbindung der Fig. 1;

Fig. 3 eine Stirnansicht auf die Hülse der Fig. 2 gemäß dem Pfeil III;

Fig. 4 in der Seitenansicht eine weitere Ausfüh rungsform einer Hülse als Kolbenbolzen für die Verbindung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 in der Seitenansicht eine dritte Ausführungs form einer Hülse als Kolbenbolzen für die Verbindung gemäß Fig. 1;

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt VI der Fig. 3;

Fig. 7 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt VI der Fig. 3 gemäß einer weiteren Ausführungs form;

Fig. 8 in der Draufsicht einen Abschnitt eines Band stahls;

Fig. 9 einen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 8 entlang der Linie IX-IX;

Fig. 10 in der Draufsicht einen Formbandabschnitt;

Fig. 11 einen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 10 entlang der Linie XI-XI;

Fig. 12 eine Seitenansicht auf die Darstellung der Fig. 11 gemäß dem Pfeil XII;

Fig. 13 in der Stirnansicht eine gerollte Hülse und

Fig. 14 einen Längsschnitt durch die Hülse der Fig. 13 entlang der Linie XIV-XIV.

Mit 1 ist in der Fig. 1 ein Kolben einer ansonsten nicht näher veranschaulichten Verbrennungskraftmaschine be zeichnet, der über einen Kolbenbolzen 2 mit einem Pleuel 3 schwenkbeweglich verbunden ist. Dazu fasst der Kolben bolzen 2 in Bohrungen 4 des Kolbens 1. Das Pleuel 3 ist zum Kolbenbolzen 2 durch eine Buchse 5 distanziert.

Der Kolbenbolzen 2 ist, wie die Fig. 2 und 3 näher erkennen lassen, als längsgeschlitzte Hülse H gestaltet, die durch spannloses Rollen hergestellt wurde. Die äußere Oberfläche 6 der Hülse H ist zylindrisch ausgebildet. Am Übergang von der äußeren Oberfläche 6 auf die Stirnseiten 7 sind Fasen 8 vorgesehen.

Durch entsprechende Bemessung der Wanddicke ist im mitt leren Längenbereich der Hülse H ein innerer zylindrischer Längenabschnitt 9 vorgesehen, an den sich zu den Stirn seiten 7 hin sich konisch erweiternde Längenabschnitte 10 anschließen.

Der Längsschlitz 11 der Hülse H erstreckt sich in der durch die Längsachse 12 verlaufenden Ebene E-E.

Nach Fig. 6 können die den Längsschlitz 11 begrenzenden Längskanten 13 der Hülse H flächig aneinander liegen.

Eine weitere Ausführungsform zeigt die Fig. 7, gemäß welcher die den Längsschlitz 11 begrenzenden Längskanten 13a mit Abstand A einander gegenüber liegen.

Die in der Fig. 4 dargestellte Hülse H₁ weist einen wel lenförmig verlaufenden Längsschlitz 11a auf. Auch hierbei können die Längskanten 13b flächig aneinander oder - wie in Fig. 7 gezeigt - mit Abstand A zueinander liegen. An sonsten entspricht die Hülse H1 der Hülse H der Fig. 1 bis 3.

Im Rahmen der Ausführungsform der Fig. 5 sind die den Längsschlitz 11b begrenzenden Längskanten 13c der Hülse H2 nut- und federartig miteinander verclincht. Dazu wer den an den Längskanten 13c Vorsprünge 14 und Hinter schneidungen 15 vorgesehen, die dann formschlüssig inein ander greifen.

Anhand der Fig. 8 bis 14 ist nachfolgend die Herstel lung einer Hülse H in der Verwendung als Kolbenbolzen 2 zur Verbindung eines Pleuels 3 mit einem Kolben 1 erläu tert.

Bei diesem Verfahren wird zunächst ein im Querschnitt rechteckiger Bandstahl 16 gemäß den Fig. 8 und 9 durch Walzen verformt. Durch diese walzende Umformung wird ein Formband 17 entsprechend den Fig. 10 und 11 erzeugt. Dieses Formband 17 besitzt eine untere ebene Bandseite 18. Auf der anderen Bandseite 19 ist durch die walzende Umformung ein mittlerer ebenflächiger Steg 20 gebildet, an den sich zu beiden Seiten dachartig abfallende Längs bereiche 21 anschließen.

Dieses Formband 17 wird zu einem nicht näher dargestell ten Coil gewickelt.

In einer anderen Bearbeitungsstation wird das Formband 17 vom Coil abgezogen und bei diesem Abziehen gemäß den Fig. 10 und 12 in Formbandstreifen 22 unterteilt. Die Länge L der Formbandstreifen 22 entspricht der Umfangs länge einer aus den Fig. 13 und 14 erkennbaren Hülse H. Nach dem Ablängen wird jeder Formbandstreifen 22 ent sprechend den Pfeilen 23 der Fig. 12 zu der Hülse H ge mäß den Fig. 13 und 14 umgeformt. Bei diesem Umformen ist der Steg 20 zur Längsachse 12 gerichtet. Nach dem spanlosen Umformen zur längsgeschlitzten zylindrischen Hülse H werden die beiden Stirnseiten 7 längengenau bear beitet, wobei gleichzeitig die Fasen 8 mit erzeugt wer den.

Durch das Umformen entsteht der innere zylindrische Län genabschnitt 9 sowie die sich daran anschließenden, zu den Stirnseiten 7 hin sich erweiternden konischen Längen abschnitte 10. Nach der Bearbeitung der Stirnseiten 7 wird die Hülse H gehärtet und letztlich an der äußeren Oberfläche 6 geschliffen.

Bezugszeichenliste

1

- Kolben

2

- Kolbenbolzen

3

- Pleuel

4

- Bohrungen in

1

5

- Buchse zwischen

2

und

3

6

- Oberfläche von H

7

- Stirnseiten von H

8

- Fasen zwischen

6

und

7

9

- zylindrischer Längenabschnitt

10

- konischer Längenabschnitt

11

- Längsschlitz von H

11

a- Längsschlitz

11

b- Längsschlitz

12

- Längsachse von H

13

- Längskanten von H

13

a- Längskanten

13

b- Längskanten

13

c- Längskanten

14

- Vorsprünge

15

- Hinterschneidungen

16

- Bandstahl

17

- Formband

18

- untere Bandseite von

17

19

- obere Bandseite von

17

20

- Steg von

17

21

- Längsbereiche von

17

22

- Formbandstreifen

23

- Pfeile
H- Hülse
H1- Hülse
H2- Hülse
E-E- Ebene
A- Abstand von

13

a
L- Länge von

22

Claims

1. Kolbenbolzen zur Verbindung des Kolbens (1) einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Pleuel (3), der aus einer spanlos gerollten, mit einem Längsschlitz (11, 11a, 11b) versehenen Hülse (H, H1, H2) gebildet ist, die im mittleren Längenbereich einen inneren zylin drischen Längenabschnitt (9) aufweist, an den sich in Richtung auf die Stirnseiten (7) im Durchmesser er weiternde konische Längenabschnitte (10) anschließen.

2. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, bei welchem der Längs schlitz (11) in einer sich durch die Längsachse (12) der Hülse (H) erstreckenden Ebene (E-E) verläuft.

3. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, bei welchem der Längs schlitz (11a) der Hülse (H1) wellenförmig ausgebildet ist.

4. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, bei welchem die den Längsschlitz (11b) begrenzenden Längskanten (13c) der Hülse (H2) nut- und federartig miteinander verclincht sind.

5. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1-4, bei wel chem die den Längsschlitz (11, 11a, 11b) begrenzenden Längskanten (13, 13b, 13c) der Hülse (H, H1, H2) flä chig aneinander liegen.

6. Kolbenbolzen nach einem der Ansprüche 1-4, bei wel chem die den Längsschlitz (11) begrenzenden Längskan ten (13a) mit Abstand (A) einander gegenüber liegen.

7. Verfahren zur Herstellung eines längsgeschlitzten Kolbenbolzens (2), bei welchem zunächst Bandstahl (16) mit einer der Rohlänge einer Hülse (H, H1, H2) entsprechenden Breite an einer Bandseite (19) unter Belassung eines mittleren Stegs (20) zu einem Form band (17) doppelkonisch gewalzt und dann zu einem Coil gewickelt wird, worauf Formbandstreifen (22) mit einer der Umfangslänge der Hülse (H, H1, H2) entspre chenden Länge (L) nacheinander vom vom Coil abgezo genen Formband (17) abgetrennt werden und anschlie ßend jeder Formbandstreifen (22) mit zur Längsachse (12) gerichtetem Steg (20) spanlos zu einer zylin drisch längsgeschlitzten Hülse (H, H1, H2) gerollt wird, wonach die Hülse (H, H1, H2) an beiden Stirn seiten (7) auf genaue Länge bearbeitet, dann gehärtet und letztlich umfangsseitig geschliffen wird.