DE3036062C2

DE3036062C2 - Kolben für Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE3036062C2
Application number: DE19803036062
Authority: DE
Inventors: Gerhard 7107 Bad Wimpfen Schieber
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm De GmbH; Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1984-06-07
Also published as: DE3036062A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Leichtmetallkolben, für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem die Mantellinien der Bohrungen in den Bolzennaben, in die ein zylindrischer Kolbenbolzen eingesetzt ist, 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 verlaufen.

Bekanntlich werden die auf den Boden eines Kolbens für Verbrennungskraftmaschinen einwirkenden Gaskräfte 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. Dadurch 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 Bolzennabcn zum Inneren hin um ein Vielfaches zu. Mit steigender Belastung des Kolbens muß daher die 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 müssen.

So ist es beispielsweise aus Bensinger, W.-D. und Meier, A.: »Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren«, Berlin/Göttigen/Heidelberg 1961, Springer-Verlag, Seite 10, bekannt, zum Abbau der Spannungsspitzen am Innearand 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 etva der ίο Durchbiegung des Kolbenbolzens folgen, ohne dabei eine Oberbeanspruchung des Kolbenwerkstoffs hervorzurufen. Ebenso wird vorgeschlagen, den Innenrand der Bolzennaben mit einer Steigerung von 1 :100 mm konisch auszubilden.

Darüber hinaus ist in der US-PS 23 88 363 zum Abbau der Spannungsspitzen im oberen Scheitelbereich der Bolzennaben eines Kolbens vorgeschlagen, die Bohrungen im oberen Scheitelbereich vom Außen- und zum Innenrand zum Kolbenboden hin geneigt aufzuweiten. In der DE-OS 16 50 206 ist ein Kolben beschrieben, bei dem die Bohrungen in den Bolzer.naben zum Zwekke einer engen Lagerspielgestaltung und ausreichenden Schmiermittelversorgung oval ausgebildet sind und die große Achse des Ovals quer zur Längsachse des KoI-bens liegt.

Zum Standider Technik zählt ferner ein Kolben, bei dem die Mantellinie dar Kolbenbolzenbohrungen gebogen ist, die Achse der Kolbenbolzenbohrungen zur Kolbenmitte hin einen leicht gekrümmten Verlauf aufweist jo und der Querschnitt der Kolbenbolzenbohrungen oval gestaltet ist, wobei zusätzlich die Kolbenbolzenbohrungen zum Innenrand der Bolzennaben aufgeweitet sein können (DE-AS 21 52 462).

Um derartig gestaltete Bohrungen in den Bolzennaben 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 spangebende Bearbeitung hergestellt werden müssen, sind nur bis zu einer bestimmten Belastungsgrenze cinsetzbar. Das gleiche gilt auch für solche Kolben, bei denen die Kolbenbol-Zv;nbohrungen in den Bolzennaben, z. B. durch Rollieren oder Bombieren, 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 Kolbenbolzenbohrungcn in den Bolzennaben berücksichtigt worden. Das Dcformationsverhalten 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 Erkenninis liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei der Formgebung der Boh-

magen in den Bolzennaben des eingangs beschriebenen Kolbens sowohl die Deformation des Kolbenbolzens unter Zünddruck als auch das Deformationsverhalten des Kolbens im Motorbetrieb zu berücksichtigen, d. h. die Bohrungen belastungs- und verformungsgerecht zu gestalten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Kolbenbolzenbohrungen im Querschnitt oval gestaltet sind und die große Halbachse des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft. Entsprechend der Ausbildung der Viantellinie weist die von der Längsachse entfernte Seite der Bohrungen eine größere, die der Längsachse benachbarte Seite eine kleinere Ovalität auf.

Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Neigung der Mantellinie der Kolbenbolzenbohrungen im oberen Scheitel 5 bis 20 μπι auf 10 mm Länge.

Die Ovalität der Kolbenbolzenbohrungen beträgt zweckmäßig 03 bis 0,8% des Durchmessers der Kolbenbolzenbohrungen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung soicner Kolbenbolzenbohrungen in der Weise, daß der Kolben zur Herstellung der Kolbenbolzenbohrungen unter betriebsgerechte Vorspannung gesetzt und eine zylindrische Bohrung hergestellt wird, die im unbelasteten Zustand 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 berücksichtigt. 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 F i g. 1 zeigt in einer ausschnittsweisen Darstellung eines Längsschnitts durch die Kolbenbolzenebene des Kolben* 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 Kolbenbodens und der oberen parallel zur Achse des Kolbenbolzens verlaufenden Scheitellinie der Kolbenbolzenbohrung 2 entspricht der für die Deformation des Kolbens entscheidenden Dehnlänge 5.

Die ovale Querschniltsform der Kolbenbolzenbohrung 2 am Innenrand der Bolzennaben 3 ist in F i g. 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 1.

Die F i g. 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 F i g. 1 und F i g. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Belastung des Kolbcnbodens und elastischem Verhalten. Dabei ist x> aufgrund der größeren Elastizität zwischen Kolbenboden und Bolzennabe beim KolDin gemäß Fig.3 kleiner als χι beim Kolben nach Fig. 1, bei dem im Unterschied zur Fig.3 die Verformung des Kolbenbodens unmittelbar auf den Scheitel 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

ίο 21,22 mit einem rotationssymmetrischen Schneidwerkzeug bearbeitet, so daß der in den Bohrungsquerschnitt hineindeformierte Teii 23,24 bis zur strichpunktiert eingezeichneten Linie 25 abgetragen wird.

F i g. 5 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung der mit der Vorrichtung nach Fig.4 in der Bolzennabe 21 hergestellten Kolbenbolzenbohrung 19 im entspannten Zustand des Kolbens 18. Der bei der Fertigung der Kolbenbolzenbohrung 19 in diese hineindeformierte und abgetragene Teile 23 ist nach der Entspannung des KoI-bens 18 als Erweiterung 26 vorhanden.

!n Fig. 6 ist schematisch die Heiüellungsweise für die Kolbenbolzenbohrungen 19 bzw. 20 ·η den Bolzennaben 21 bzw. 22 dargestellt. Dabei dreht sich das Bearbeitungswerkzeug 27 um die entsprechend dem Winkel 28 verstellte Achse. Die Vorschubrichtung 29 ergibt ein Oval 30 mit großer Halbachse 31.

In F i g. 7 sind in einem ausschnittsweisen Längsschnitt durch die Bolzenebene des Kolbens 32 im Bereich der Bolzennabe 33 die durch den Kolbenbolzen 37

JO erzeugten Spannungsverläufe 34, 35 in der Bolzennabe für eine herkömmliche zylindrische und eine erfindungsgemäß gestaltete Kolbenbolzenbohrung 36 dargestellt. Eine vergleichende Gegenüberstellung zeigt einen deutlichen Abbau der Spannungsspitze in der Bolzennabe mit der nach der Erfindung geformten Bohrung 36.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben, für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem die Mantellinien der Bohrungen in den Bolzennaben, in die ein zylindrischer Kolbenbolzen eingesetzt ist, 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 verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzenbohrungen (2, It, 19, 20) im Querschnitt oval gestaltet sind und die große Halbachse (6) des Ovals (7) parallel zur Längsachse des Kolbens (1,9,18) verläuft

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnhnet, 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 Kolbeas benachbarte Seite eine kleinere Ovalität aufweisen.

3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19, 20) im Bereich ihres oberen Scheitels 5 bis 20 μηι auf 10 mm Länge beträgt.

4. Kolben nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ovalität der Kolbenbolzenbohrungen (2, 11, 19, 20) 03 bis 0,8% ihres Durchmessers beträgt.

5. Verfahren zur Herstellung der Kolben nach den Ansprüchen '. bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben unter betriebsgerc-hte Vorspannung gesetzt und die Kolbenbolzenbohrungen zylindrisch gebohrt werden.