DE3036062A1

DE3036062A1 - Kolben fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE3036062A1
Application number: DE19803036062
Authority: DE
Inventors: Gerhard 7107 Bad Wimpfen Schieber
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH; Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE3036062C2

Description

Kolben für Verbrennungskraftmaschinen
Die Erfindung betriff-t einen Kolben, insbesondere einen Leichtnetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen, in dessen aufgeweitet zum Innenrand der Bolzennaben verlaufenden, im Querschnitt oval gestalteten Kolbenbolzenbohrungen ein zylindrischer Kolbenbolzen eingesetzt ist.
Bekanntlich werden die auf den Boden eines Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen einwirkenden Gaskärfte aus dem Verbrennungsraum über die Bolzennaben auf den Kolbenbolzen übertragen. Da sich der Kolbenbolzen, bedingt durch die pendelnde Bewegung des Pleuels, in den Bolzennaben drehen muß, sind diese auch als hochbelastete Lager anzusprechen.
Die auf den Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte biegen diesen periodisch durch und verformen ihn zusätzlich oval. Dadruch werden die Bolzennaben sowohl in der waagerechten als auch in der senkrechten Ebene, insbesondere aber in ihrem oberen Scheitel, auf Zug, Druck und Biegung beansprucht.
Infolge der Durchbiegung des Kolbenbolzens nimmt die Spannung in den Bolzennaben zum Inneren hin um ein Vielfaches zu. Mit steigender Belastung des Kolbens muß daher der Form der Kolbenbolzenbohrungen ganz besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Insbesondere ist dies schon deshalb wichtig, weil aus Gewichtsgründen, trotz steigender Kolbenbelastung die Kolbenbolzen nicht stärker, sondern wegen der mit höheren Drehzahlen gleichzeitig ansteigenden Massenkraft eher noch leichter gemacht werden muß.
So ist es beispielsweise aus Bensinger, W.-D. und Meier, A "Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren", Berlin/Göttingen/Heidelberg 1961, Springer-Verlag, Seite 10, bekannt, zum Abbau der Spannungsspitzen am Innenrand der Bolzennaben, dessen Kante mit einem Radius von 1 mm zu verrunden oder den Bolzennaben in diesem Bereich eine solche Elastizität zu geben, daß diese etwa der Durchbiegung des Kolbenbolzens folgen, ohne dabei eine überbeanspruchung des Kolbenwerkstoffs hervorzurufen. Ebenso wird vorgeschlagen, den Innenrand der Bolzennaben mit einer S-teigung von 1 : 100 mm konisch auszubilden.
Zum Stand der Technik zählt ferner ein Kolben, bei dem die Mantellinie der Kolbenbolzenbohrungen gebogen ist, die Achse der Kolbenbolzenbohrungen zur Kolbenmitte hin einen leicht gekrümmten Verlauf aufweist und der Querschnitt der Kolbenbolzenbohrungen oval gestaltet ist, wobei zusätzlich dit olbeflLolzenbc)llrurigen zum Innenrand der Bolzennaben aufgeweitet sein können (DE-AS 21 52 462).
Um derartig gestaltete Kolbenbolzenbohrungen herzustellen, ist nicht nur ein erheblicher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich, sondern die Kolbenbolzenbohrungen lassen sich auch nicht in optimaler Weise den unterschiedlichen Kolbenkonstruktionen anpassen.
Vorgesehen ist auch ein Kolbenbolzen, der zwei sich jeweils vom Bereich der Innenkanten der Bolzennaben bis in den Bereich der Innenkanten des kleinen Pleuels erstreckende, ganz oder teilweise umlaufende, eine im Querschnitt konische Form besitzende Einschnürungen aufweist, deren Tiefe der örtlichen Durchbiegung des Kolbenbolzens unter der Auslegungslast entspricht (DE-AS 26 15 212).
Solche Kolbenbolzen, die durch plilgebel e 13eflrbeLi Fig lergestellt werden müssen, sind nur bis zu einer bestimmten Belastungsgrenze einsetzbar. Das gleiche gilt auch für solche Kolben, bei denen die Kolbenbolzenbohrungen in den Bolzennaben, z.B. durch Rollieren oder Bombierten, verfestigt sind. Im übrigen sind formgearbeitete Kolbenbolzen bei Verwendung von belastungsgünstigen trapezförmigen Pleueln nicht verwendbar.
Bei den bisherigen Überlegungen ist immer die Deformation des Kolbenbolzens unter dem Zünddruck für seine Gestaltung bzw. für die Formgebung der Kolbenbolzenbohrungen in den Bolzennaben berücksichtigt worden. Das Deformationsverhalten des Kolbens aufgrund seiner unterschiedlichen Gestalt, die abhängig ist von seiner unterschiedlichen Grundgeometrie, Höhe, Bodenform, Innenform sowie insbesondere auch von der Fertigungsstreuung innerhalb eines Kolbentyps hat bisher jedoch keine Beachtung gefunden.
Ausgehend von dieser Erkenntnis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kolbenbolzenbohrungen in den Bolzennaben des eingangs beschriebenen Kolbens belastungs- und verformungsgerecht zu gestalten.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die große Halbachse des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens, die Mantellinien der Kolbenbolzenbohrungen im Bereich ihres oberen Scheitels vom Außen- zum Innenrand der Bolzennaben in Richtung zum Kolbenboden geneigt aufgeweitet und im Bereich ihres unteren Scheitels etwa horizontal oder parallel zur Achse des Kolbenbolzens verlaufen, wobei entsprechend der Ausbildung der Mantellinie die von der Längsachse entfernte Seite der Bohrungen eine größere, die der Längsachse benachbarte Seite eine kleinere Ovalität aufweisen.
Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Neigung der Mantellinie der Kolbenbolzenbohrungen im oberen Scheitel 5 bis 20 pm auf 10 mm Länge.
Die Ovalität der Kolbenbolzenbohrungen beträgt zweckmäßig 0,3 bis 0,8 80 des Durchmessers der Kolbenbolzenbohrungen.
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung solcher Kolbenbolzenbohrungen in der Weise, daß der Kolben zur Herstellung der Kolbenbolzenbohrungen unter betriebsgerechte Vor spannung gesetzt und eine zylindrische Bohrung hergestellt wird, die im unbelasteten usl:clnd die vorstehend beschriebene Form annimmt, wodurch sich eine nahezu konstante Flächenpressung über die gesamte Auflagefläche der Bolzennaben ergibt. Alle Belastungs- und Verformungskriterien werden dadurch in idealer Weise berücksich-tig-t. Zusätzlich ist die im unbelasteten Zustand von der zylindrischen Form abweichende Form der Kolbenbolzenbohrung mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand herstellbar.
Die in den Zeichnungen beispielhaft dargestellte Erfindung wird nachfolgend näher erläutert: Die Fig. 1 zeigt in einer ausschnittsweisen Darstellung eines Längsschnitts durch die Kolbenbolzenebene des Kolbens 1, daß die Kolbenbolzenbohrung 2 in der Bolzennabe 3 in ihrem oberen Scheitel 4 von außen nach innen aufgeweitet ist und in ihrem unteren Scheitel parallel zur Achse des Kolbenbolzens verläuft. Der Abstand zwischen der Innenseite des Kolbellbodens und der oberen parallel zur Achse des Kolbens verlaufenden Scheitellinie der Kolbenbolzenbohrung 2 entspricht der für die Deformation des Kolbens entscheidenden Dehnlänge 5.
Die ovale Querschnittsform der Kolbenbolzenbohrung 2 am Innenrand der Bolzennaben 3 ist in Fig. 2 wiedergegeben.
Dabei verläuft die große Halbachse 6 des Ovals 7 parallel zur Längsachse des Kolbens. Der strichpunktiert dargestellte Kreis 8 zeigt die Querschnittsform der Kolbenbolzenbohrung 2 des unter der Vorspannung stehenden Kolbens i.
Die Fig. 3 stellt einen Teillängsschnitt durch die Kolbenbolzenebene des Kolbens 9 dar, bei dem im Unterschied zu Fig. 1 die Dehnlänge 10 zwischen der Innenseite des Kolbenbodens und der parallel zur Achse des Kolbenbolzens verlaufenden oberen Scheitellinie 13 der Kolbenbolzenbohrung 11 in den Bolzennaben 12 konstruktionsbedingt größer ausgebildet ist. Eine vergleichende Gegenüberstellung von Fig. 1 und Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Belastung des Kolbenbodens und elastischem Verhalten. Dabei ist x2 aufgrund der größeren Elastizität zwischen Kolbenboden und Bolzennabe beim Kolben gemäß Fig. 3 kleiner als x1 beim Kolben nach Fig. 1, bei dem im Unterschied zur Fig. 3 die Verformung des Kolbenbodens unmittc^Lbar duf derl S(lleitel 4 der Bolzennabe 3 übertragen wird, ausgebildet.
In Fig. 4 ist der Aufbau der Fertigungseinrichtung zur Herstellung der Bohrungen in den Bolzennaben dargestellt. Der durch ein Druckstück 14 belastete, mit einem umlaufenden Vorsprung 15 versehene, sich auf den Widerlagern 16, 17 abstützende Kolben 18 wird zur Herstellung der Bohrungen 19, 20 in den Bolzennaben 21, 22 mit einem rotationssymmetrischen Schneidwerkzeug bearbeitet, so daß der in den Bohrungsquerschnitt hineindeformierte Teil 23, 24 bis zur strichpunktiert eingezeichneten Linie 25 abgetragen wird.
Fig. 5 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung der mit der Vorrichtung nach Fig. 4 hergestellten Kolbenbolzenbohrung 19 im entspannten Zustand des Kolbens 18. Der bei der Fertigung der Kolbenbolzenbohrung 19 in diese hineindeformierte und abgetragene Teil 23 ist nach der Entspannung des Kolbens 18 als Erweiterung 26 vorhanden.
In Fig. 6 ist schematisch die Herstellungsweise der Kolbenbolzenbohrungen 19, 20 in den Bolzennaben 21, 22 dargestellt.
DclbQ- L dreii-t sk!ll das Bearbeitungswerkzeug 27 um die entsprechend dem Winkel 28 verstellte Achse. Die Vorschubrichtung 29 ergibt ein Oval 30 mit großer Halbachse 31.
In Fig. 7 sind in einem ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Bolzenebene des Kolbens 32 im Bereich der Bolzennabe 33 die Spannungsverläufe 34, 35 in der Bolzennabe für eine herkömmliche zylindrische und eine erfindungsgemäß gestaltete Kolbenbolzenbohrung 36 durch den Kolbenbolzen 37 dargestellt.
Eine vergleichende Gegenüberstellung zeigt einen deutlichen Abbau der Spannungsspitze.

Claims

PATENTANSPRÜCHE Kolben insbesondere LeicllUrnetallkollJell fdr Verbrennungskraf-tmaschinen, in dessen aufgeweitet zum Innenrand der Bolzennaben verlaufenden, im Querschnitt oval gestalteten Kolbenbolzenbohrungen ein zylindrischer Kolbenbolzen eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die große Halbachse (6) des Ovals (7) parallel zur Längsachse des Kolbens (1, 9, 18), die Mantellinien (4, 13) der Bohrungen (2, 11, 19, 20) in den Bolzennaben (3, 12, 21) im Bereich ihres oberen Scheitels vom Außen- zum Innenrand der Bolzennaben in Richtung zurn Kolbenboden geneigt aufgeweitet und im Bereich ihres unteren Scheitels etwa horizontal verlaufen.
2. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Mantellinien (4, 13) der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19, 20) im Bereich ihres unteren Scheitels parallel zur Achse des Kolbenbolzens verlaufen.
3. Kolben nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Längsachse des Kolbens (1, 9, 18) entfernte Seite der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19, 20) eine größere und die der Längsachse des Kolbens benachbarte Seite eine kleinere Ovalität aufweisen.
4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19, 20) im Bereich ihres oberen Scheitels 5 bis 20 Fm auf 10 mm Länge beträgt.
5. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ovalität der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19> 20) 0,3 bis 0,8 % ihres Durchmessers beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung der Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben unter betriebs gerechte Vorspannung gesetzt und die Kolbenbolzenbohrungen zylindrisch gebohrt werden.