DE19800808A1

DE19800808A1 - Kolbenbolzen und Stangenbuchse für nichtrunden Kolben

Info

Publication number: DE19800808A1
Application number: DE19800808A
Authority: DE
Inventors: Amjad Ali
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-12
Publication date: 1998-07-30
Also published as: US5709184A; JP2925529B2; JPH10205619A

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungsmotoren und insbesondere eine Vorrichtung zum Optimieren der Ausrichtung eines nichtrunden Kol bens in einer Zylinderbohrung.

Automobilverbrennungsmotoren können zylindrische Kolben verwenden, die für eine hin- und hergehende Bewegung in entsprechenden Zylindern angebracht sind. Die Montage eines Zylinders in einem Motor umfaßt die Verwendung einer Verbindungsstange, deren unteres Ende drehbar an einer drehbaren Kurbelwelle gelagert ist und deren oberes Ende ähnlich an einem Kolbenbolzen angebracht ist, der sich in einer diametralen Durchgangsbohrung in dem Kolben erstreckt. Der Kolbenbolzen in einem typischen Kolben ist an seinen Enden in der Kolbendurchgangsbohrung derart getragen, daß der Bolzen als ein Lagerzapfen wirkt, wobei die Durchgangsbohrung als ein Traglager wirkt. Das obere Ende der Verbin dungsstange umfaßt eine Buchse zum Eingriff mit dem Kolbenbolzen zwi schen seinen kolbengestützten Enden, wodurch die Verbindung des Kol bens mit der drehbaren Kurbelwelle abgeschlossen wird.

Die Orientierung des oben beschriebenen Kolbens in dem Motorzylinder ist durch mehrere parallele Achsen festgelegt. Die Kurbelwellenachse, die Kurbelzapfenachse, die Kolbendurchgangsbohrungsachse, die Kolbenbol zenachse und die Verbindungsstangenbuchsenachse beeinflussen jeweils die endgültige, montierte Orientierung des Kolbens. Eine Winkelschwan kung von einer oder mehreren der Achsen relativ zu den anderen wird durch eine Drehung des Kolbens in dem Zylinder während des Zusam menbaus des Motors berücksichtigt.

Es sind nichtrunde Kolben und Bohrungen bekannt, die einen Kolben- und Bohrungsquerschnitt verwenden, der elliptisch oder rennbahnförmig ist. Bei derartigen Motoren ist die Ausrichtung der verschiedenen oben be schriebenen Kolbenmontageachsen für eine richtige Orientierung des Kol bens in dem Zylinder kritisch. Sollte die Ausrichtung des Kolbens in dem Zylinder winklig relativ zur Kurbelwellenachse oder anderen parallelen Achsen schwanken, ist eine Selbstausrichtung des Kolbens innerhalb der Bohrung aufgrund des nichtrunden Querschnitts des Kolbens und des Zylinders unmöglich, was zu einer Beeinträchtigung und Reibung dazwi schen führt. Bei der Herstellung von Motoren mit nichtrunden Kolben, die eine annehmbare Ausrichtung der parallel zur Kurbelwelle liegenden Ach sen aufweisen, sind erhebliche Schwierigkeiten aufgetreten.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der einen nichtrunden Kolben aufweist, der für eine hin- und hergehende Bewegung innerhalb eines ähnlich gestalteten Motorzylinders montiert ist. Der Kol ben ist relativ zu einer drehbaren Kurbelwelle durch eine Verbindungs stange getragen, deren unteres Ende drehbar an einer Kurbelwellenkröp fung gelagert ist und deren oberes Ende mit einem Kolbenbolzen verbun den ist, der innerhalb des Kolbens getragen ist. Aufgrund des nichtrunden Querschnitts des Kolbens und des entsprechenden Zylinders sind Haupt- und Nebenachsen festgelegt, wobei die Kolbenbolzenachse vorzugsweise im wesentlichen parallel zu einer dieser Achsen angeordnet ist.

Der Kolbenbolzen umfaßt erste und zweite Enden, die innerhalb einer ent sprechenden Durchgangsbohrung in dem Kolben gelagert sind. Ein kugel förmiger Verbindungsstangenlagerzapfen ist zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Kolbenbolzens festgelegt und in einer Verbin dungsstangenbuchse mit einer ähnlichen, kugelförmigen Trägerfläche ge tragen. Der kugelförmige Lagerzapfen und die kugelförmige Buchse arbei ten zusammen, um eine winklige Bewegung des Kolbens zur Kurbelwellen achse zuzulassen. Eine derartige Bewegung ist wünschenswert, um eine Ausrichtung des Kolbens mit dem Motorzylinder in Fällen einer winkligen Fehlausrichtung der Kolbenbolzenachse mit der Kurbelwelle und mit an deren parallelen Achsen zuzulassen.

Ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung kann die Verwendung einer einzigartig gestalteten Kolbenbolzen- und Verbindungsstangen buchse sein, die den Zusammenbau des Kolbens und der Verbindungs stange erleichtert. Das erste Ende und das zweite Ende des Kolbenbolzens können mit unterschiedlichen Durchmessern gestaltet sein, so daß das zweite Ende einen Durchmesser aufweist, der gleich wie der Außendurch messer des kugelförmigen Lagerzapfens und der kugelförmigen Buchse oder geringfügig größer als dieser ist. Der Einbau des Kolbenbolzens in den Kolben und das Verbindungsstangenende ist durch eine Kolben durchgangsbohrung vereinfacht, die ein erstes Ende aufweist, das gestal tet ist, um das erste Ende des Bolzens zu tragen, und die ein zweites Ende mit einem großen Durchmesser aufweist, um das zweite Ende des Bolzens zu tragen. Ein Einsetzen des Kolbenbolzens in den Kolben und das Ver bindungsstangenende erfolgt durch das zweite Ende der Kolbendurch gangsbohrung. Aufgrund des großen Durchmessers des zweiten Endes der Kolbendurchgangsbohrung kann der kugelförmige Lagerzapfen eingebaut werden, wobei die entsprechende kugelförmige Buchse an diesen ange baut ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung be schrieben, in der

Fig. 1 eine Teilseitenansicht eines Kolbens und eines Motorzylinders ist, die Merkmale der vorliegenden Erfindung verwirklichen,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Kolbens von Fig. 1 ist, genommen entlang der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht des Kolbens von Fig. 1 ist, genommen entlang der Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kolben und den Zylinder von Fig. 1 ist, die eine Darstellung eines fehlausgerichteten Kolbens umfaßt, der in gestrichelter Linie gezeigt ist, und

Fig. 5, 6 und 7 Schnittansichten des Kolbens von Fig. 1 sind, die nacheinan der den Einbau der Kolbenbolzens und der Verbindungsstan genbuchse veranschaulichen.

In Fig. 1 ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Kolben für eine Arbeit in ei ner Zylinderbohrung 12 eines Verbrennungsmotors veranschaulicht. Der Kolben 10 umfaßt einen Kolbenboden 14, der integral mit einer herabhän genden äußeren Oberfläche gegossen ist, die einen Kolbenmantel 16 um faßt. Eine Vielzahl von Ringnuten 18 ist auf herkömmliche Art und Weise um den Umfang des Kolbenbodens 14 herum hergestellt und gestaltet, um darin eine Reihe von Kolbenringen 20 aufzunehmen. Ein Paar diametral entgegengesetzte Kolbenbolzenvorsprünge 22 und 24 hängt von dem Kol benboden 14 herab und ist typischerweise integral mit dem Kolbenboden und dem herabhängenden Kolbenmantel 16 gegossen. Jeder der Vor sprünge 22 und 24 ist mit koaxial ausgerichteten Bolzenbohrungen 26 bzw. 28 versehen, um eine sich quer erstreckende Kolbenbolzenbohrung 30 mit einer Achse 32 festzulegen. Wie in den Fig. 2 und 3 veranschau licht, weist die Bolzenbohrung 26 einen ersten Durchmesser d₁ auf, wäh rend die Bolzenbohrung 28 mit einem großen Durchmesser D₁ gestaltet ist. Eine Verbindungsstange 34, deren Kolbenende gezeigt ist, umfaßt eine Lagerzapfenöffnung 36, um eine Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung 38 in einer drehbaren, tragenden Beziehung damit aufzunehmen.

Die Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung 38 umfaßt einen sich axial er streckenden Kolbenbolzen 40 mit einem ersten Lagerzapfenende 42, einem zweiten Lagerzapfenende 44 und einem kugelförmigen Lagerzapfenteil 46, der zwischen dem ersten Ende 42 bzw. dem zweiten Ende 44 angeordnet ist. Um den kugelförmigen Lagerzapfenteil 46 herum ist eine Buchsenan ordnung 48 eingebaut, die zur Vereinfachung des Einbaus um den Lager zapfen herum eine zweistückige, muschelschalenartige Gestalt aufweist. Die Buchsenanordnung 48 legt eine innere Lagerfläche 50 fest, die eine kugelförmige Gestalt aufweist, welche die des kugelförmigen Lagerzapfen teils 46 des Kolbenbolzens 40 widerspiegelt. Die Außenfläche 52 der Buch senanordnung 48 ist zum Einbau in die entsprechende Lagerzapfenöff nung 36 in dem oberen Kolbenende der Verbindungsstange 34 zylindrisch gestaltet. Sobald er in der Öffnung 36 eingebaut ist, ist der Kolbenbolzen 40 durch die Buchsenanordnung 48 relativ zur Verbindungsstange 34 getragen.

Wie die Fig. 5-7 zeigen, weist das erste Ende 42 des Kolbenbolzens 40 ei nen Durchmesser d₂ auf, der im wesentlichen gleich wie der der Kolben bolzenbohrung 26 ist, und ist innerhalb der Bohrung zur Unterstützung gelagert. Ähnlich weist das zweite Ende 44 des Kolbenbolzens 40 einen Durchmesser D₂ auf, der im wesentlichen dem der Kolbenbolzenbohrung 28 ähnlich ist, und ist ähnlich in dieser Bohrung zur Unterstützung auf genommen. Um den Zusammenbau des Kolbens 10 mit der Verbindungs stange 34 zu vereinfachen, ist der Durchmesser D₂ des zweiten Endes 44 des Kolbenbolzens 40 vorzugsweise so bemessen, daß er größer als der Außendurchmesser E₁ der Buchsenanordnung 48 ist.

Um die Verbindungsstange 34 mit dem Kolben 10 zusammenzubauen, wird das obere Ende der Stange 34 innerhalb des Kolbens positioniert, wie in Fig. 5 veranschaulicht, so daß die Lagerzapfenöffnung 36 mit der Achse 32 der Kolbenbolzenbohrung 30 ausgerichtet ist. Das erste Ende 42 der Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung 38 wird durch die Bolzenbohrung 28 mit großem Durchmesser, Fig. 6, axial in die Kolbenbolzenbohrung 30 eingesetzt. Bei einem vollständigen Einsetzen der Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung 38 in die Kolbenbolzenbohrung 30 des Kolbens 10, Fig. 7, ist das erste Ende 42 des Kolbenbolzens 40 drehbar in der Bolzen bohrung 26 gelagert, das zweite Ende 44 des Kolbenbolzens 40 ist drehbar in der Bolzenbohrung mit großem Durchmesser 28 gelagert, und die Au ßenfläche 52 der geteilten Buchse 48 ist drehbar in der Verbindungsstan gendurchgangsbohrung 36 gelagert, wodurch die Verbindungsstange 34 mit dem Kolben 10 und dadurch der Kolben 10 mit der drehbaren Kur belwelle des Motors wirksam verbunden sind.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, umfaßt die vollständig zusammengebaute Kolben- und Verbindungsstangenanordnung den Kolben 10, die Verbin dungsstange 34, den Kolbenbolzen 40 und die kugelförmige Buchse 48. Der Einbau des mit der Verbindungsstange zusammengebauten Kolbens wird durch die Verwendung der Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung 38 der vorliegenden Erfindung dadurch erleichtert, daß eine richtige Orientie rung des Kolbens 10 innerhalb der Zylinderbohrung 12 sichergestellt ist. Zu Beispielzwecken veranschaulicht Fig. 4 schematisch einen Motorzylin der 12, der Haupt- und Nebenachsen 60 bzw. 62 festlegt. Wenn er in dem Zylinder 12 eingebaut ist, teilt ein richtig orientierter Kolben 10 mit dem Zylinder identische Haupt- und Nebenachsen, um einen festen Wandab stand "S" von dem Kolben zum Zylinder herzustellen und somit Reibung und Verschleiß während des Motorbetriebes zu minimieren. Wie in gestri chelter Linie in Fig. 4 gezeigt, kann der Kolben 10' in Wirklichkeit einer Fehlausrichtung aufgrund von Addition der Herstellungstoleranzen zwi schen den parallelen Achsen der Kurbelwelle, des Kurbelwellenzapfens, der Verbindungsstange, des Kolbenbolzens und der Kolbenbohrung aus gesetzt sein. Der kugelförmige Lagerzapfen 46 des Kolbenbolzens 40 kann sich frei innerhalb der kugelförmigen Buchse 48 drehen, Fig. 3, wodurch die Fehlausrichtung des Kolbens 10 innerhalb der Bohrung 12 korrigiert wird, indem eine Rotation des Kolbens 10 um die Längsachse der Verbin dungsstange 64 herum erleichtert wird, wodurch zugelassen wird, daß sich die Haupt- und Nebenachsen 60 und 62 des Zylinders mit ähnlichen Achsen des Kolbens 10 ausrichten, so daß der Kolben innerhalb der Zy linderbohrung zentriert ist.

Die hierin offenbarte Kolbengestalt liefert eine Lösung für die Fehlaus richtung nichtrunder Kolben in ähnlich gestalteten Motorzylindern von Verbrennungsmotoren, indem eine kugelförmige Lagerzapfenverbindung zwischen dem Kolbenbolzen und der Verbindungsstange geschaffen wird, die eine Rotation der Kolben- und Kolbenbolzenanordnung relativ zur Längsachse der Verbindungsstange zuläßt. Eine derartige Rotation des Kolbens relativ zur Verbindungsstange gestattet, daß der Kolben inner halb der Zylinderbohrung rotiert, um eine richtige Orientierung des Kol bens ungeachtet einer Fehlausrichtung herzustellen, die durch Addition von Herstellungstoleranzen zwischen den verschiedenen parallelen Achsen des Motors, die typischerweise die Kolbenausrichtung innerhalb des Mo torzylinders steuern und die den Betrieb von nichtrunden Kolben in nich trunden Zylindern nachteilig beeinflussen, hervorgerufen wird.

Zusätzlich betrifft die hier veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform eine Kolben- und Kolbenbolzenanordnung, die leicht durch die Verwen dung einer geteilten, kugelförmigen Buchsenanordnung zusammengebaut werden kann, die vom Ende her in die Kolben- und Verbindungsstangen bohrungen eingeführt werden kann. Ein mit Übermaß versehenes Kolben bolzenende 44, das verschiebbar in einer entsprechenden Bolzenbohrung 28 aufgenommen wird, läßt einen Hindurchtritt der Kolbenbolzen- und Buchsenanordnung während des Zusammenbaus der Verbindungsstange mit dem Kolben zu.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der hierin offenbarten Erfindung in bezug auf einen Kolbenbolzen mit kugelförmigem Lagerzapfen beschrie ben ist, ist beabsichtigt, daß andere Lagerzapfengestalten, die eine Bewe gung und Selbstausrichtung des Kolbens innerhalb des Motorzylinders vereinfachen, in Betracht gezogen werden.

Eine Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor umfaßt einen Kol ben 10 mit einem Paar entgegensetzten Kolbenbolzenvorsprüngen 22, 24.

Die Vorsprünge umfassen erste und zweite koaxiale Bohrungen 26, 28, die eine Kolbenbolzenbohrung 30 definieren. Eine Verbindungsstange 34 mit einem Ende, das eine Durchgangsbohrung 36 umfaßt, erstreckt sich in den Kolben und ist mit dem Kolben durch eine Kolbenbolzenanordnung 38 verbunden. Die Anordnung umfaßt ein erstes Lagerzapfenende 42 zur Anordnung innerhalb der ersten koaxialen Bohrung 26, ein zweites Lager zapfenende 44, das innerhalb der zweiten koaxialen Bohrung 28 angeord net ist, und einen kugelförmigen Lagerzapfenteil 46, der zwischen dem er sten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist. Eine Buchse 48 ist um den kugelförmigen Lagerzapfenteil herum angebaut und weist eine kugel förmige Innenfläche 50 auf, die dem kugelförmigen Lagerzapfenteil ent spricht, und eine Außenfläche 52, die der Verbindungsstangendurch gangsbohrung entspricht und in dieser angeordnet ist. Der kugelförmige Lagerzapfenteil rotiert relativ zu der kugelförmigen Innenfläche der Buch se, so daß eine Drehausrichtung des Kolbens in einer Motorzylinderboh rung 12 erleichtert wird.

Claims

1. Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Kolben (10) mit einem Paar entgegengesetzten Kolbenbolzenvor sprüngen (22, 24), die erste und zweite koaxiale Bohrungen (26, 28) umfassen, die sich durch diese hindurch erstrecken, um eine Kol benbolzenbohrung (30) mit einer Achse (32) festzulegen, eine Ver bindungsstange (34) mit einem Ende, das eine Lagerzapfenöffnung (36) umfaßt, und eine Kolbenbolzenanordnung (38), die ein erstes Lagerzapfenende (42), das innerhalb der ersten koaxialen Bohrung (26) angeordnet ist, ein zweites Lagerzapfenende (44), das innerhalb der zweiten koaxialen Bohrung (28) angeordnet ist, und einen kugel förmigen Lagerzapfenteil (46) umfaßt, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist und eine Buchse (48) auf weist, die um diesen herum angebaut ist, wobei die Buchse eine ku gelförmige Innenfläche (50), die dem kugelförmigen Lagerzapfenteil entspricht, und eine Außenfläche (52) aufweist, die der Verbin dungsstangenlagerzapfenöffnung entspricht und in dieser angeord net ist, und wobei der kugelförmige Lagerzapfenteil relativ zu der kugelförmigen Innenfläche der Buchse drehbar ist, so daß eine Dre hung des Kolbens in einer Motorzylinderbohrung erleichtert wird.

2. Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsstange (34) eine Längsachse (64) festlegt, um die der kugelförmige Lagerzapfenteil (46) in der kugelförmigen In nenfläche (50) der Buchse (48) rotiert, so daß eine Drehung des Kol bens (10) um die Längsachse in der Motorzylinderbohrung (12) er leichtert wird.

3. Kolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche (52) der Buchse (48) eine Abmessung auf weist, die kleiner als die des zweiten Endes (44) des Kolbenbolzens (40) und der zweiten koaxialen Bohrung (28) ist, wodurch ein Ein setzen des Kolbenbolzens und der Buchse durch die koaxiale Boh rung erleichtert wird.