DE2345223C3

DE2345223C3 - Pistons for reciprocating engines with a hollow piston pin

Info

Publication number: DE2345223C3
Application number: DE19732345223
Authority: DE
Inventors: Hellmut 7067 Urbach Kottmann
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1976-03-11

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Hubkolbenmaschinen mit einem hohlen Kolbenbolzen zur Aufnahme einer Schraube, mittels der Kolben und Kolbenbolzen quer zur Kolbenachse miteinander verspannt sind.The invention relates to a piston for reciprocating piston engines with a hollow piston pin for receiving a screw, by means of which the piston and piston pin are clamped together transversely to the piston axis are.

Eine derartige Triebwerkskonstruktion zeigt beispielsweise die französische Patentschrift 3 63 099. Auch dort findet ein in Längsrichtung hohler Kolbenbolzen Verwendung. Dieser Kolbenbolzen wird von einer Schraube durchdrungen, die ihn in seiner Lage gegenüber dem Kolbenmantel fixiert. Die den Kolbenbolzen aufnehmende Schraube weist an einem Ende einen angeformten Schraubenkopf und an ihrem anderen Ende eine angeschraubte Mutter auf. Schraubenkopf und Schraubenmutter liegen an ihren dem Kolbenbolzen zugewandten Flächen und längs ihrer radia- len Umfangsflächen formschlüssig an dem Kolbenmantel an. Die Schraube ist ferner in dem Kolbenmantel in gegenüberliegenden und fluchtenden Bohrungen ohne Spiel gelagert. Diese den Kolbenbolzen aufnehmenden Bohrungen müssen daher sehr fein bearbeitet sein und verursachen somit hohe Fertigungskosten. Der hohle Kolbenbolzen liegt über seine gesamte Länge mit einer relativ engen Passung auf der ihn haltenden Schraube auf. Bei dieser Konstruktion gelangen die auf den Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte direkt auf die diesen Bolzen haltende Schraube. Dadurch wird diese einmal sehr stark auf Biegung beansprucht, was bekanntlich für Schrauben äußerst ungünstig ist. Zudem wird diese Biegebeanspruchung noch auf den zylindrischen Kolbenmantel übertragen, wodurch dieser bis in die Ring- partien hinein deformiert weiden kann.Such an engine construction is shown, for example, in French patent 3 63 099. A piston pin that is hollow in the longitudinal direction is also used there. This piston pin is from penetrated by a screw that fixes it in its position relative to the piston skirt. The screw receiving the piston pin points at one end a molded screw head and at its other end a screwed-on nut. The screw head and screw nut lie on their surfaces facing the piston pin and along their radial len circumferential surfaces form-fit on the piston skirt. The screw is also in the piston skirt opposite and aligned bores stored without play. These take up the piston pin Holes must therefore be machined very finely and thus cause high production costs. The hollow one The piston pin lies over its entire length with a relatively tight fit on the screw holding it on. With this design, the forces acting on the piston pin are applied directly to them Bolt holding screw. As a result, this is once very heavily stressed in bending, which is known is extremely unfavorable for screws. In addition, this bending stress is still transferred to the cylindrical piston skirt, which means that it extends into the ring parts deformed into it can graze.

Die Erfindung will nun eine Lösung aufzeigen, nach der diese Nachteile möglichst vermieden werden können. Insbesondere wird angestrebt, einen durch eine Schraubverbindung an dem Kolben befestigten KoI- &s benbolzen möglichst kurz und in einer von der Gestaltsfestigkeit her ungeschwächten Form herzustellen sowie diesen ohne komplizierte Passungen zu lagern.The invention now aims to provide a solution according to which these disadvantages can be avoided as far as possible. In particular, the aim is to provide a Screw connection attached to the piston Benbolzen as short as possible and in a form that is not weakened in terms of structural strength as well as storing these without complicated fits.

Dabei soll die den Kolbenbolzen durchdringende und diesen an dem Kolben verspannende Schraube weitgehend frei von Biegebeanspruchungen gehalten werden. Weiterhin soll auch das auf den Kolbenbolzen und dessen Schraubverbindung entfallende Gewicht im Hinblick auf eine Senkung der bewegten Masse des Triebwerkes verringert werden.The screw that penetrates the piston pin and braces it on the piston should be kept largely free of bending stresses. Furthermore, the weight on the piston pin and its screw connection should also be reduced with a view to reducing the moving mass of the engine.

Erfindungsgemäß werden bereits alle diese Teilaufgaben dadurch gelöst, daß die den Kolbenbolzen verspannende Schraube innerhalb des Kolbenbolzens und in zwei an sich bekannten vom Kolbenboden nach innen gerichteten Fortsätzen in Bohrungen gelagert ist, deren Durchmesser größer sind als der Außendurchmesser dieser Schraube, so daß nach Verspannen der Schraube die auf den Kolben wirkenden Kräfte allein vom Reibschluß zwischen Stirnflächen an Schraube, Fortsätzen und Kolbenbolzen auf ein an diesem angelenktes Pleuel übertragen werden.According to the invention, all of these subtasks are already achieved in that the screw tightening the piston pin inside the piston pin and is mounted in bores in two projections, which are known per se from the piston crown, are directed inwards, whose diameter is larger than the outer diameter of this screw, so that after bracing the Screw the forces acting on the piston solely from the frictional engagement between the end faces on the screw, Projections and piston pins are transferred to a connecting rod articulated on this.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes weisen die vom Kolbenboden nach innen gerichteten Fortsätze an ihren inneren, einander gegenüberliegenden Stirnflächen Schultern auf, die als Anlage für den Kolbenbolzen dienen. Diese Schultern erweisen sich besonders bei der Montage des Kolbenbolzens als günstig.In an advantageous embodiment of the subject matter of the invention, they point from the piston crown inwardly directed processes on their inner, opposite end faces shoulders, which as Serve plant for the piston pin. These shoulders are particularly beneficial when assembling the piston pin.

Zur Verwendung bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktion eignet sich insbesondere ein Kolbenbolzen aus Leichtmetall. Dies gilt ganz besonders hinsichtlich der Festigkeit der Reibschlußlagerung bei ansteigenden Temperaturen während des Triebwerkbetriebes. Entscheidend für den Halt des Bolzens ist nach der Erfindung der Reibschluß zwischen den Bolzenstirnflächen und den von dem Kolbenboden ausgehenden Fortsätzen, wobei die für den Reibschluß erforderliche Kraft von der den Bolzen verspannenden Schraube ausgeht. Die Schraube selbst ist zur Aufnahme der hohen Zugbeanspruchung als Dehnschraube ausgebildet. An dieser Schraube soll der Kolbenbolzen möglichst an keiner Stelle fest anliegen, d. h. seine Exaktlage soll nicht durch Auflage am Schraubenumfang festgelegt werden.A particularly suitable for use in the construction proposed according to the invention is Piston pin made of light metal. This is particularly true with regard to the strength of the frictional engagement with rising temperatures during engine operation. Decisive for the hold of the bolt is, according to the invention, the frictional engagement between the bolt end faces and the projections emanating from the piston crown, the force required for the frictional engagement from the force which braces the bolt Screw runs out. The screw itself is used as an expansion screw to absorb the high tensile stress educated. The piston pin should not rest firmly on this screw at any point, i.e. H. his The exact position should not be determined by placing it on the circumference of the screw.

Als Material für den Kolbenbolzen eignet sich das Leichtmetall deshalb besonders gut, weil durch das Leichtmetall einmal eine Gewichtsenkung der bewegten Massen des Triebwerkes erzielt werden kann und andererseits eine günstige Materialpaarung hinsichtlich der gesamten Schraubverbindung erreicht wird. Infolge des hohen Ausdehnungs-Koeffizienten von Leichtmetall dehnt sich der Bolzen bei Temperaturerhöhungen nämlich wesentlich stärker aus als die den Bolzen verspannende Dehnschraube aus Stahl oder einer Legierung hiervon. Dadurch nimmt der Reibschlußhalt bei erhöhter Temperatur während des Triebwerkbetriebes praktisch zu und gewährt noch eine zusätzliche Sicherheit für den Halt des Reibschlusses.The light metal is particularly suitable as a material for the piston pin because it Light metal once a weight reduction of the moving masses of the engine can be achieved and on the other hand, a favorable material pairing is achieved with regard to the entire screw connection. As a result Due to the high expansion coefficient of light metal, the bolt expands when the temperature increases namely much stronger than the expansion screw made of steel or an alloy thereof, which braces the bolt. As a result, the frictional hold increases increased temperature practically during engine operation and provides additional security for maintaining the frictional connection.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Problem der Kolbenbolzenlagerung sei auch noch auf die deutsche Patentschrift 8 12 746 hingewiesen. Diese zeigt ein Tricowerk, bei dem der Kolbenbolzen an seinen Enden mit Abflachungen versehen ist, mit denen er am Kolben anliegt. Die Enden des Bolzens sind mit dem Kolben durch parallel zur Kolbenlängsachse geführte Schrauben verbunden. Damit unterscheidet sich dieser Gegenstand grundsätzlich von der Erfindung, nach der ein in Längsrichtung hohler Kolbenbolzen durch eine den Bolzenhohlraum durchdringende Schraube an nach innen gerichteten Fortsätzen des Kolbenbodens verspannt wird.In connection with the problem of the piston pin bearing according to the invention, it should also be noted the German patent 8 12 746 pointed out. This shows a Trico movement, in which the piston pin is provided with flats at its ends, with which it is rests on the piston. The ends of the bolt are connected to the piston by screws running parallel to the longitudinal axis of the piston. This differs this subject basically from the invention, according to which a longitudinally hollow piston pin by a screw penetrating the bolt cavity on inwardly directed extensions of the Piston crown is clamped.

Damit zeichnet sich die Erfindung vor allem durch folgende Vorteile aus:The invention is thus characterized above all by the following advantages:

Der Kolbenbolzen wird in Richtung der Kolbeniängsachse durch Reibschluß während des gesamten Triebwerkbetriebes sicher gehal;cn, wobei er sich in Kolbenbodenrichtung zusätzlich noch gegen Schultern abstützen kann, die an von dem Kolbenboden ausgehenden Fortsätzen angeformt sein können. Die durch den Hohlraum des Bolzens geführte Spannschraube wird von dem Kolbenbolzen her nicht auf Biegung be- ίο ansprucht. Darüber hinaus ist die Montage des Kolbenbolzens sehr einfach, da nur eine einzige gut zugängliche Schraube vorgesehen ist im Gegensatz beispielsweise zu der Lösung nach der DT-PS 8 12 746. Aus der DT-OS 2151 184 ist zwar auch bereits eine Kolbenbolüenverspannung durch eine Schraube bekannt, bei der diese Schraube ebenfalls nicht auf Biegung beansprucht wird. Die gesamte Kolbenkonstruktion sowie insbesondere die Art der Bolzenlagerung ist dort jedoch grundsätzlich von der erfindungsgemäßen Lösung verschieden. Dort verläuft nämlich die den Bolzen spannende Schraube nicht in Kolbenquer-, sondern in Kolbenlängsrichtung. Dadurch ergeben sich eine ganze Reihe erhebliche Nachteile gegenüber der erfindungsgemäß aufgezeigten Bauweise. So ergibt sich bei jenem KoI-ben wegen der dort vorgesehenen zentrischen Verschraubung beispielsweise eine in vielen Fällen unerwünscht große Bauhöhe. Denn zur Aufnahme der von der Schraube auszuhaltenden mechanischen und thermischen Belastung muß diese als Dehnschraube mit einer gewissen Länge zum Vorspannen für die erforderliche Dehnung ausgebildet sein. Der Schraubenkopf liegt in einer äußeren öffnung des Kolbenbodens. Durch diese Anordnung kann die Höhe der mechanischen Belastung an der Schraubenauflagefläche des Kolbenbodens bei hohen Betriebstemperaturen wegen der mit steigender Temperatur sinkenden Festigkeit des meist aus Leichtmetall bestehenden Kolbenwerkstoffes vielfach kritisch werden. Im übrigen schwächt die für die Spannschraube erforderliche Durchbrechung des Kolbenbodens diesen. Die im Kolbenbodenäußeren liegende öffnung zur Aufnahme des Schraubenkopfes stellt einen unerwünschten Schadraum dar, der nur mit besonderem zusätzlichem Aufwand unschädlich gemacht werden kann. Anderenfalls bestünde nämlich die Gefahr einer Verkokung, die bei Otto-Motoren zu Glühzündungen führen könnte. Im übrigen muß der Kolbenbolzen selbst ein großes Materialvolumen sowie hohe Festigkeit wegen der Aufnahme des Gewindes für die zentral angeordnete Spannschraube besitzen. Denn dieses Gewinde muß im oberen Totpunkt die gesamte Massenkraft des Kolbenkopfes, der Schraube selbst, zuzüglich der in der Schraube herrschenden Vorspannkraft aufnehmen Außerdem kann bei dem dortigen Bolzen auch nur ein geschlitztes und damit von der Fertigung teueres und von der Tragfähigkeit her geschwächtes Pleuel Verwendung finden. Nicht zuletzt ist an dem Bolzen für die Drucklagerung zwischen Kolbenboden und Bolzen auch noch eine spezielle Ausfräsung erforderlich. Sämtliche der genannten Schwierigkeiten und Nachteile sind bei der erfindungsgemäßen Lösung praktisch von vornherein nicht vorThe piston pin moves in the direction of the piston longitudinal axis by frictional engagement during the entire engine operation; cn, whereby he is in Piston head direction can additionally support against shoulders that extend from the piston head Extensions can be formed. The tensioning screw passed through the cavity of the bolt is not subjected to bending stress from the piston pin. In addition, the assembly of the piston pin very simple, as only a single easily accessible screw is provided in contrast to, for example to the solution according to DT-PS 8 12 746. From DT-OS 2151 184 there is already a piston pin bracing known from a screw in which this screw is also not subject to bending will. The entire piston design as well as in particular the type of bolt mounting there is, however, fundamentally different from the solution according to the invention. There the screw tensioning the bolt does not run in the transverse direction of the piston, but in the longitudinal direction of the piston. This results in a whole series of considerable disadvantages compared to that according to the invention shown construction. This results in that KoI-ben because of the central screw connection provided there for example, an undesirably large overall height in many cases. Because for the inclusion of The mechanical and thermal stress to be withstood by the screw must be used as an expansion screw a certain length to be designed for biasing for the required elongation. The screw head lies in an outer opening of the piston head. This arrangement can reduce the amount of mechanical Load on the screw contact surface of the piston crown at high operating temperatures due to the strength of the piston material, which is usually made of light metal, decreases with increasing temperature often become critical. In addition, the opening required for the clamping screw weakens of the piston crown this. The opening in the piston crown for receiving the screw head represents an undesirable dead space, which can only be harmed with special additional effort can be done. Otherwise there would be the risk of coking, which is the case with Otto engines could lead to glow ignition. In addition, the piston pin itself must have a large volume of material as well as high strength due to the inclusion of the thread for the centrally arranged clamping screw own. Because this thread must in the top dead center the entire inertia force of the piston head, the Screw itself, plus the pre-tensioning force prevailing in the screw can also absorb in the case of the bolt there, only a slotted one, which is expensive to manufacture and to carry find a weakened connecting rod used. Last but not least is on the bolt for the thrust bearing A special cutout is also required between the piston crown and the pin. All of the above Difficulties and disadvantages are practically not present from the outset with the solution according to the invention

handen.act.

Die Erfindung soli an zwei Aasführungsbeispielen erläutert werden, die in der Zeichnung dargestellt sind. £s zeigtThe invention is explained using two examples shown in the drawing. £ s shows

F i g. 1 einen Teil eines Triebwerkes gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse,F i g. 1 shows a part of an engine according to a first Execution of the invention in a section along the piston longitudinal axis,

F i g. 2 einen Schnitt durch F i g. 1 entlang der Linie H-Il,F i g. 2 shows a section through FIG. 1 along the line H-II,

Fig.3 einen Teil eines Triebwerks gemäß .«ner zweiten Ausführung der Erfindung in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse und3 shows a part of an engine according to. «Ner second embodiment of the invention in a section along the piston longitudinal axis and

F i g. 4 einen Schnitt durch F i g. 3 entlang der Linie IV-IV.F i g. 4 shows a section through FIG. 3 along the line IV-IV.

Bei beiden Ausführungen ist übereinstimmend der Kolben als Ganzes mit 1 bezeichnet. Er weist einen Kolbenboden 2 und eine Ringzone 3 auf. Von der Innenseite des Kolbenbodens 2 stehen parallel zur Kolbenlängsachse gerichtete wandartige Fortsätze 4 und 5 ab. Zwischen diesen ist ein Bolzen 6 angeordnet, der von dem Kopf eines Pleuels 7 umfaßt wird. Die Fortsätze 4 und 5 und der Bolzen 6 sind von miteinander fluchtenden Bohrungen 8, 9 und 10 durchsetzt. Durch diese ist eine Schraube 11 geführt, welche durch eine Mutter 12 angezogen ist.In both versions, the piston as a whole is denoted by 1 in a consistent manner. It has a piston head 2 and an annular zone 3. Wall-like projections 4 and 5, directed parallel to the piston longitudinal axis, protrude from the inside of the piston head 2. A bolt 6, which is encompassed by the head of a connecting rod 7, is arranged between these. The extensions 4 and 5 and the bolt 6 are penetrated by holes 8, 9 and 10 which are aligned with one another. A screw 11, which is tightened by a nut 12, is guided through this.

Bei der ersten Ausführung gemäß F i g. \ und 2 sind die Fortsätze 4 und 5 einstückig mit Schaftteilen 13 undIn the first embodiment according to FIG. \ and 2, the extensions 4 and 5 are integral with shaft parts 13 and

14 verbunden, welche die Führung des Kolbens 1 im nicht dargestellten Zylinder übernehmen. Der Bolzen 6 ist im Verhältnis zu seinem Durchmesser sehr kurz und wird zwischen den Fortsätzen 4 und 5 ausschließlich durch die Reibungskräfte gehalten, welche durch die Spannkraft der Schraube 11 vermittelt werden. Damit die Schraube 11 auf keinen Fall einer Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, ist zwischen ihrem Schaft und den Bohrungen 8 und 9 in den Fortsätzen 4 und 5 sowie zwischen dem Schaft und der Bohrung 10 in dem Kolbenbolzen 6 ein Spiel vorgesehen.14 connected, which take over the leadership of the piston 1 in the cylinder, not shown. The bolt 6 is very short in relation to its diameter and is exclusively between the extensions 4 and 5 held by the frictional forces which are imparted by the tensioning force of the screw 11. In order to the screw 11 in no case a bending stress is exposed, is between its shaft and the bores 8 and 9 in the extensions 4 and 5 as well A play is provided between the shaft and the bore 10 in the piston pin 6.

Die zweite Ausführung gemäß Fig.3 und 4 weist folgende Besonderheit auf: Zwischen dem Schaft der Schraube 11 und ihrem Kopf ist ein zapfenförmiges Stück 15 angeordnet. Außerdem ist am anderen Ende der Schraube zwischen ihrem Schaft und der Mutter 12 eine Hülse 16 eingesetzt, die den gleichen Durchmesser aufweist wie das zapfenförmige Stück 15. Der ZapfenThe second embodiment according to FIGS. 3 and 4 has the following special feature: between the shaft of the screw 11 and its head is a peg-shaped Piece 15 arranged. In addition, at the other end of the screw is between its shaft and the nut 12 a sleeve 16 is used, which has the same diameter as the pin-shaped piece 15. The pin

15 und die Hülse 16 greifen in entsprechende Bohrungen 17 und 18 eines Schaftteiles 19 ein. Das Schaftteil 19 ist also von dem übrigen Kolben 1 vollständig getrennt und mit ihm nur über die Schraube 11 drehbar verbunden. Diese Konstruktion stellt also einen sogenannten Pendelschaftkolben dar, der den großen Vorteil hat, daß der Schaft unbeeinflußt durch den Kopf, der nur der Weiterleitung der Gaskräfte und der Abdichtung des Brennraums dient, die Führung des Kolbens im Zylinder wahrnehmen kann. Außerdem liegt der Kolbenbolzen 6 im Gegensatz zur ersten Ausführung auch noch an an den Fortsätzen 4, 5 angeformten Schultern 20, 21 an. Die Stirnflächen des Bolzens 6 sind übrigens mit Rücksicht auf eine leichte Fertigung ebenso wie die entsprechenden Anlageflächen an den Fortsätzen 4 und 5 zylinderabschnittförmig ausgebildet.15 and the sleeve 16 engage in corresponding bores 17 and 18 of a shaft part 19. The shaft part 19 is therefore completely separated from the rest of the piston 1 and can only be rotated with it via the screw 11 connected. This construction therefore represents a so-called pendulum piston, which has the great advantage has that the shaft is unaffected by the head, which is only responsible for the transmission of gas forces and the seal of the combustion chamber is used, can perceive the guidance of the piston in the cylinder. Also lies In contrast to the first embodiment, the piston pin 6 is also formed on the extensions 4, 5 Shoulders 20, 21 on. The end faces of the bolt 6 are incidentally the same with regard to ease of manufacture like the corresponding contact surfaces on the projections 4 and 5 are designed in the shape of cylindrical sections.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent Claims:

1. Kolben für Hubkolbenmaschinen mit einem hohlen Kolbenbolzen zur Aufnahme einer Schrau- i be, mittels der Kolben und Kolbenbolzen quer zur Kolbenachse miteinander verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schraube (U) aufnehmenden Bohrungen (8, 9; 10) in zwei1. Pistons for reciprocating piston machines with a hollow piston pin to accommodate a screw i be, by means of which the piston and piston pin are clamped together transversely to the piston axis, characterized in that the bores (8, 9; 10) receiving the screw (U) are in two

an sich bekannten vom Kolbenboden (2) nach innen gerichteten Fortsätzen (4, 5) und im Kolbenbolzen (6) größer sind als der Außendurchmesser der Schraube (11), so daß nach Verspannen der Schraube die auf den Kolben wirkenden Kräftfc allein vom Reibschluß zwischen den Stirnflächen an Schraube, Fortsätzen und Kolbenbolzen auf das Pleuel (7) übertragen werden.extensions (4, 5) which are known per se from the piston head (2) and in the piston pin (6) are larger than the outer diameter of the screw (11), so that after tensioning the screw, the forces acting on the piston are solely from Frictional engagement between the end faces on the screw, projections and piston pin on the connecting rod (7) be transmitted.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortsätze (4, 5) an ihren inneren, einander gegenüberliegenden Stirnflächen Schultern (20, 21) aufweisen, die als Anlage für den Kolbenbolzen (6) dienen.2. Piston according to claim 1, characterized in that the extensions (4, 5) on their inner, opposite end faces have shoulders (20, 21) which serve as a bearing for the piston pin (6).

3. Kolbenbolzen für den Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Leichtmetall besteht.3. Piston pin for the piston according to claims 1 and 2, characterized in that it consists of light metal.