DE2455750C3 - Kolbenbolzen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Kolbenbolzen mit durchgehender Bohrung mit einem größten Durchmesser der Bohrung im Bereich des Maximums der Flächenpressung.

Der Kolbenbolzen ist das kraftübertragende Verbindungsglied zwischen Kolben und Pleuel. Die an ihm angreifenden Kräfte biegen ihn durch und verformen ihn auch oval. Darijber hinaus wird er in bestimmten Querschnitten auf Scherung beansprucht und arbeitet infolge kleiner Winkelbewegungei; unter Verhältnissen, die nur einen mangelhaften Aufbau des hydrodynamischen Schmierfilms zulassen.

Außer den üblichen hohlgebohrten Kolbenbolzen mit durchgehender Bohrung sind auch hohlgebohrte Kolbenbolzen für Zweitaktmotoren genormt, die wegen Kurzschlußgefahr zwischen Gaswechselkanälen einseitig geschlossen sind oder in der Bolzenmitte eine Trennwand aufweisen.

Für die Güte einer Kolbenkonstruktion ist die richtige Auslegung von Bolzennabe und Bolzen von ausschlaggebender Bedeutung. Zu schwache Bolzen machen sich meistens durch einen Anriß am inneren oberen Bolzennabenscheitel bemerkbar, der zu einem Bruch des Kolbens führen kann.

Die Bolzennabe wird in ihrem oberen Scheitel über den ganzen Querschnitt auf Zug beansprucht. Dieser Zugspannung überlagert sich bei kaltem Kolben noch eine erhebliche Biegespannung aus der Ovalvcrformung des Kolbenbolzens, die in etwa deren Größenordnung erreicht.

Beim Anfahrvorgang treten in der Regel sehr hohe Spitzendrücke auf, die zusammen mit engem Spiel des Bolzens in der Nabe zu unzulässig hoher Beanspruchung der Nabe aufgrund der Ovalverformung des Bolzens führen können. Beim warmen Kolben vergrößert sich das Bolzenspiel, dadurch wird der Einfluß der Ovalverformung auf die Spannungsverhältnisse in der Nabe gering. Das Kaltspiel sollte immer größer als Null gewählt werden.

Damit wird die zulässige Bolzendurchbiegung die beschränkende Größe. Dem Konstrukteur ist es in die Hand gegeben, durch geeignete Wahl und Ausbildung von Bolzen und Nabe die Beanspruchung der Nabe in zulässigen Grenzrn zu halten. Ein sehr steifer Bolzen bietet mit einer elastisch ausgebildeten Nabe ein Optimum an Betriebssicherheit. Unzulässig hohe Ovalverformungen lassen sich nut durch eine Vergrößerung der Bolzenwandstärke, nicht aber durch Vergrößern der Nebenwandstärke vermindern. Eine Verringerung der Durchbiegung wird am ehesten durch einen größeren Bolzenaußendurchmesser bzw. -Wandstärke erreicht.

Es machen in den letzten Jahren steigende Leistungen bei Verbrennungskraftmaschinen, verbunden mit einer Erhöhung des Nutzmitteldrucks bzw. maximalen Zünddrucks sowie des Vei-dichtungsenddrucks bei Kompressoren eine laufende Anpassung des Bolzendurchmessers bzw. der -Wandstärke notwendig, wie aus DIN 73 123 und 73 124 sowie den technischen Empfehlungen der Kolben- und Kolbenbolzenhersteller entnommen werden kann.

Zur Erzielung einer störungsfreien Funktion, d. h. einer tragbaren Belastung der Bolzenlagerung in den Naben des Kolbens und im Pleuellager, ist die Durchbiegung und Ovalverformung des Kolbenbolzens begrenzt, wie es in dem Technischen Handbuch der Karl Schmidt GmbH, Seite 175, dargestellt ist Diese zulässigen Werte werden durch die begrenzte Elastizität und Festigkeit der Kolbenbolzennabe bestimmt und stellen Werte dar, die nicht überschritten werden sollten.

Zur Vermeidung von Spannungsspitzen an den Kanten der Lagerung im Kolben und im Pleuel muß die Durchbiegung des Bolzens möglichst klein gehalten werden. Da der Bolzendurchmcsser primär seine

to Durchbiegung bestimmt, wird erfahrungsgemäß das Kolben-Kolbenbolzen-Durchmesserverhältnis bei

Otto-Motoren und Kompressoren mit 100 :28 und bei Diesel-Motoren mit 100:40 eingehalten. Sind diese Verhältnisse gewährleistet, so ist bis zu einer maximalen

>3 Gaskraft auf dem Kolbenboden von p, = 80 kp/cm² bei Otto-Motoren und von p, = 120 kp/cm² bei Diesel-Motoren mit Aufladung Betriebssicherheit gegeben, wenn die Ovalverformung, die primär von der Wanddicke des Bolzens bestimmt wird, in den zulässigen Grenzen

■to bleibt

Neuzeitliche Entwicklungen auf dem Gebiet der Verbrennungskraftmaschinen haben zu Leistungssteigerungen geführt, die oftmals Spitzendrücke verursachen, die weit über denjenigen liegen, die in den

■»■> technischen Empfehlungen angegeben sind. Weilerhin wird die Durchbiegung des Kolbenbolzens unzulässig groß, wenn z. B. aus Platz- oder Gewichtsgründen der Durchmesser des Bolzens nicht ausreichend groß ausgeführt werden kenn.

■>o Eine verringerte Dehnlängc zwischen dem Scheitel der Kolbenbolzenbohrungen und der inneren Kolbcnhöhe, die sich zwangsweise bei im Kolben liegenden Brennräumen ergibt, vermindert die Dämpfung der Druckschwingungen und erzeugt vergleichsweise holies') re Spitzendrücke.

Nun war man bisher der Auffassung, daß man eine zu große Durchbiegung durch verringerte Ovalverformung kompensieren könnte, indem einfach die Wanddicke des Bolzens vergrößert wird. Durch diese

w Maßnahme ergeben sich jedoch Schäden im Bereich der Lagerung des Bolzens in den Naben und im Pleuel, die nichts mit den klassischen Spaltbrüchen zu tun haben. So treten partielle Zerstörungen der Oberfläche im Scheitelbereich der Bolzennabenvorderkante und in der vertikal gegenüberliegenden Pleuellagerung auf, die aus mehreren dich: beieinanderliegenden, meist schräg zur Oberfläche verlaufenden Anrissen bestehen. Der Rißbeginn liegt dabei nicht wie bei den Spaltbrüchen an der

Kante des Übergangs von der Stirnfläche zur Bohrung im Pleuel- bzw. Kolbenbolzenauge, sondern im Abstand von der Stirnfläche in der Bohrung.

In der Lagertechnik wird diese Erscheinung auch als Pflastersteinbildung bezeichnet und ist auf örtlich überhöhte Flächenpressung zurückzuführen.

Aus der FR-PS 6 68 786 ist ein Kolbenbolzen bekannt, bei dem zum Zwecke der Gewichtsersparnis, der Festigkeit und der einfachen Montage die Kolbenbolzenbohrung einen unterschiedlichen Durchmesser aufweist und der größte Durchmesser im Bereich des Maximums der Flächenpressung beginnt Dadurch wird ein relativ geringer Abbau der Spannungsspitzen erzielt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Kolbenbolzen so zu gestalten, daß hohe Spannungsspitzen durch eine überhöhte Fiächenpressung vermieden und ein hoher Traganteil erzielt wird.

Gelöst »ird diese Aufgabe durch einen Kolbenbolzen der eingangs genannten Bauart, bei dem erfindungsgemäß der Durchmesser der Bohrung von seinem Maximum aus axial nach beiden Enden zu abnehmend ausgebildet ist Auf diese Weise ergibt sich "iber die Gesamtlänge gesehen eine unterschiedliche Wanddicke des Kolbenbolzens.

Die Erweiterungen sind so angeordnet, daß sie im mittleren Bereich des Kolbenbolzens beginnen und kurz vor den Enden des Kolbenbolzens aufhören, wobei der größte Durchmesser der Erweiterung jeweils im Bereich zwischen dem Innenrand des Bolzenauges und den gegenüberliegenden Rand des Pleuelauges angebracht ist

Zweckmäßigerweise ist die Erweiterung des Durchmessers doppelkegelstumpfförmig oder faßförmig gestaltet, wobei der größte Durchmesser dieser Erweiterung jeweils im Bereich des Maximums der Flächenpressung angebracht ist. Dadurch werden in diesen Bereichen die Elastizität vergrößert, das Formfüllungsvermögen verbessert und die Spitzenspannungen und damit die überhöhte Flächenpressung abgebaut.

Da im allgemeinen die Kolbenbolzennaben gegen örtlich überhöhte Spannungen empfindlicher als die Lagerung im Pleuel sind, kann es ausreichend sein, wenn die jeweils im Bereich höchster Spannungen erweiterte Kolbenbolzenbohrung in dem dazwischenliegenden Bereich eine zylindrische Form aufweist.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Zeichnungen

ίο näher und beispielhaft erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit in den Bolzennaben angeordneten Kolbenbolzen mit Pleuelkopf,
F i g. 2 und 3 Kolbenbolzen mit faßförmig erweiterten Bohrungen.

Die F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kolben 1 mit in den Bolzennaben angeordneten Kolbenbolzen 2 mit Pleuelkopf 3. Die Bohrung 4 des Kolbenbolzens 2 ist zwischen ihren Endbereichen und

■>o ihrem mittleren Bereich so gestaltet, daß sich der Durchmesser nach Art eines Do^pelkegelstumpfes erweitert wobei der größte Durchmesse! der Erweiterung im Bereich der höchsten Flächenpressung des Pleuels und der Kolbenbolzennabe liegt.

Wie Fig.2 und 3 zeigen, kann die Bohrung 5 des Kolbenbolzens 6 zwischen ihren Endbereichen und ihrer Mitte faßförmig erweitert sein. Die auf den Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die kolbenkopfsei'.ig eingeleiteten Kräfte werden auf das Pleuel übertragen. Bei zylindrischer Bohrung, d. h. bei gleicher Wanddicke des Kolbenbolzens über seine ganze Länge, wird sich eine Deformation entsprechend der strichpunktierten Linien ergeben. Bei dieser Ausführung des Kolbenbolzens

y, ergibt sich im Bereich der kleinsten Wanddicke eine größere Ovalverformung verbunden mit einer entsprechenden Verminderung der Kantenpressungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kolbenbolzen mit durchgehender Bohrung mit einem größten Durchmesser der Bohrung im Bereich des Maximums der Flächenpressung, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrung (4, 5) von seinem Maximum aus axial nach beiden Enden zu abnehmend ausgebildet ist.

2. Kolbenbolzen nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung jeweils doppelkegelförmig ausgebildet ist.

3. Kolbenbolzen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung jeweils faßförmig ausgebildet ist

4. Kolbenbolzen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung der Bohrung zwischen den Bereichen maximaler Flächenpressung zylindrisch verläuft