DE3105702A1 - Kolben-pleuel-verbindung fuer hubkolbenmaschinen, insbesondere zweitakt-brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen, insbeson-
• dere Zweitakt-Brennkraftmaschinen Die DI'fndung bezieht sich auf eine Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen und insbesondere für Zweitakt-Brennlcraftmaschinen.
• Üblicherweise erfolgt die Verbtindung zwischen Kolben und Pleuel mittels eines Kolbenbolzens, der normalerweise in am Kolben vorgesehene Kolbenbolzenaugen eingeschrumpft und auf dem das Pleuel drehbar gelagert ist. Insbesondere bei Zweitak+-Brennkraftmaschinen findet kein Anlagewechsel zwischen dem Kolbenbolzen und dem Pleuelstangenauge statt, da bei diesen Maschinen kein Saughub durchgeführt wird und die vom Kolben über den Kolbenbolzen auf das Pleuel ausgeübte Kraft stets in einer Richtung wirkt. Ähnliche Verhältnisse treten auch bei lIubkolbenkompressoren mit bestimmten Druckverhältnissen auf. Das Fehlen dieses Anlagewechsels hat zur Folge, daß sich kein Ölkeil zwischen den Lagerflächen aufbauen kann, so daß keine ausreichende Schmierung gewährleistet ist und ein erheblicher Verschleiß auftritt. Diese Erscheinung ist besonders gravierend bei Zweitakt-Dieselbrennkraftmaschinen aufgrund der dort auftretenden hohen Drücke.
• Die vorstehend in Zusammenhang mit der Lagerung des Pleuels auf dem Ko3benholzen geschilderten Zustände können auch zwischell dem Kolbenbolzen und den Kolbenbolzenaugen eintreten, wenn sich der Schrumpfsitz zwischen Kolbenbolzen und Kolben aufgrund von Wärmedehnungen oder aufgrund eines mechanischen Ausschlagens der Kolbenbolzenaugen nach längerer Betriebszeit gelöst hat, so daß sich der Kolbenbolzen relativ zum Kolben drehen kann. Um hierbei die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es aus der DE-PS 968 108 bekannt, den Durchmesser der Bohrungen der Kolbenbolzenaugen zumindest in Richtung senkrecl)t zur Kobenachse um einige Promille größer zu bemessen, als den Durchmesser des Kolbenbolzens, wodurch erreicht werden soll, daß ein größerer Ölvorrat zur Verteilung an die Druckstellen vorhanden ist und Schmierölkeile gebildet werden, welche die genannten Abnützungserscheinungen beseitigen sollen.
• Der Erfindung liegt die Aufgal>e isigriinde, eine Kolben-Pleuel-Verbindung zu schaffen, die eine gute Schmierung ermöglicht und eine geringe Flächenpressung aufweist, wodurch der Verschleiß gering gehalten und die Lebensdauer erhöht werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches t gelöst.
• Bei der Ausführung gemäß der vorgenannten DE-PS 968 108 sind aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der Kolbenbolzenaugen und des Kolbenbolzens zwar unterschiedliche Krümmungsradien der miteinander zusammenwirkeuden Flächen vorhanden, jedoch ist die Hertz'sche Flächenpressung verhältnismäßig hoch. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kann die Hertz'sche Flächenpressung erheblich reduziert werden, da durch den Verzicht auf einen Kolbenbolzen und durch die Anordnung eines segmentförmigen Abwälzlagers zwischen Pleuel und Kolben die Krümmungsradien der miteinander zusammenwirkenden Flächen sehr groß ausgeführt werden können.
• Bekanntlich ist die Hertz'sche Pressung dem wirksamen Krümmungsradius umgekehrt proportional.
• Von den miteinander zusammenwirkenden Flächen kann die eine im Extremfall plan sein, also einen Krümmungsradius unendlich aufweisen, während die andere, im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt ist. Alternativ kann die am Kolben vorgesehene Fläche, im Schnitt gesehen, konkav und die am Pleuel vorgesehene Fläche, im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt sein.
• Die konvexgekrümmte Fläche kann aus Abschnitten mit unterschiedlichen Krümmungsradien zusammengesetzt sein, um bestimmte Effekte zu erzielen. So kann für die Fläche in dem Bereich, in dem eine Anlage stattfindet, wenn der Kolben im oberen Totpunkt ist und bei Zweitakt-Brennkraftmaschinen somit die größten Kräfte auf den Kolben wirken, der Krümmungsradius groß sein, um die Flächenpressung gering zu halten.
• AußerJalb dieses Bereiches kann ein ]ilcinere- Kriimmungsradius zweckmäßig sein, um ein s.u starkes st.tslies seitlicll( Ausw.tndern der Anlagelinie aus der Mittelacllse des Kolbens zu vermeiden und dadurch die Kolbenseitenkräfte klein zu halten.
• Es sind Maschinen denkbar, bei denen das Pleuel unabhängig vom Kolben gefiihrt ist. Bei den üblichen Hubkolbenmaschinen ist dagegen das Pleuel frei drehbar auf der Kurbelwelle gelagert und es muß daher im Kolben geführt werden, was bei der üblichen Kolben-Pleuel-Verbindung mittels des Kolbenbolzens bewerkstelligt wird. Da bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag solche Kolbenbolzen nicht zwingend vorhanden sind, werden zweckmäßig die das Pleuel gegen Herausfallen aus dem Kolben haltenden Mittel gleichzeitig zur weiteren Führung des Pleuels ausgebildet. Wenn die beiden am Kolben bzw. am Pleuel vorgesehenen Flächen im wesentlichen rechteckig sind, können die genannten Mittel von Ansätzen gebildet werden, die sich in einem etwa rechten Winkel an die parallel zur Schwenkachse des Pleuels verlaufende Seitenkanten der am Kolben vorgesehene nen Fläche anschließen und mit ihren Innenflächen mit den dazu parallelen Seitenkanten der am Pleuel vorgesehenen Fläche zusammenwirken. Diese Innenflächen sind zusammen mit der Form der miteinander zusammenwirkenden Flächen am Kolben und am Pleuel für den Bewegungsablauf zwischen Kolben und Pleuel verantwortlich, und sie können so geformt sein, daß zwischen den genannten Flächen eine reine Abwälzbewegung stattfindet was den Vorteil hat, daß die Reibarbeit praktisch Null ist, oder daß eine kombinierte Gleit- und Abwälzbewegung stattfindet, damit das Auswandern der Berührungslinie zwischen den Flächen aus der Längsmittelachse des Kolbens verringert wird und die Kolbenseitenkräfte klein gehalten werden.
• Die Mittel, die das Pleuel gegen Herausfallen aus dem Kolben halten, können auch von einem am Kolben befestigten Bolzen geb]det werden, der einen länglichen flurchbruch mit Spiel in lxiSlg*SliCIlttl! des Pleuels dtirctiseLzü. Dieser Bolzen ist nicht mit dem üblichen Kolbenbolzen zu vergleichen, da cr keine Arbeitsdrücke aufzunehmen hat, sondern lediglich das Herausfallen des Pleuels aus dem KoJben zu verhindern hat.
• Um eine gute Schmierung zu erreichen, ist es zweckmäßig, mindestens eine Schmierölbohrung vorzusehen, die in die Fäche am kolbenseitigen Ende des Pleuels mündet, und zwar zweckmäßigerweise außenmittig, um die Auflage zwischen den Flächen in der oberen Totj>unktlage des Kolbens nicht zu verkleinern.
• Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt eines Hubkolbens und des damit zusammenwirkenden Pleuels entlang Linie I-I in Fig. 2.
• Fig. 2 einen Schnitt entlang Liniell-Ilin Fig. 1, wobei jedoch das Pleuel nicht geschnitten ist, Fig. 3 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 mit geschnittenem Pleuel und aus der Längsmittelebene des Kolbens herausgeschwenktem Pleuel, Fig. 4 einen Schnitt ähnlich Fig. 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels entlang Linie IV-IVin Fig. 5, Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie V-V in Fig. 4, wobei jedoch das Pleuel nicht geschnitten ist, und Fig. 6 einen Schnitt ähnlich Fig. .5 mit geschnittenem und aus der Längsmittelachse des Kolbens herausgeschwenktem Pleuel.
• Es sc!i ziiiIich.t auf Fig. 1 bis 3 Bezug genommen, in welchen ein erstes Ausführungsbeispiel der Verbindung zwischen einem Hubkolben 1 und einem Pleuel 2 dargestellt ist. Diese Verbindung wird durch ein segmentförmiges Abwälzlager geschaffen, das allgemein mit 3 bezeichnet und prinzipiell voii einer am kolbenseitigen Ende 4 des Pleuels 2 angeordneten Fläche 5 und einer am Kolben 1 vorgesehenen Fläche 6 gebildet ist. Die Flächen 5 und 6 haben unterschiedliche Kriimmungsradien, so daß während der Schwenkbewegung des Pleuels 2 die Berührungslinie zwischen diesen Flächen 5 und 6 wandert, wie dies aus einem Vergleich der Fig. 2 und 3 deutlich hervorgeht. Um ein Herausfallen des Pleuels 2 aus dem Kolben 1 zu verhindern, ist ein Bolzen 7 vorgesehen, der sich durch einen Durchbruch 8 im kolbenseitigen Ende 4 des Pleuels 2 sowie durch Bohrungen 9 in Augen 10 einer Platte 11 erstreckt, die die Fläehe 6 trägt und mittels Schrauben 12 am Kolben 1 angebracht ist. Die Schrauben 12 erstrecken sich durch den Bolzen 7 hindurch und halten diesen somit fest. Der Durchbruch 8 hat die Form eines Langloches, so daß der Bolzen 7 in Längsrichtung des Pleuels 2 mit Spiel, quer dazu jedoch ohne Spiel im Durchbruch 8 liegt. Im Pleuel 2 ist eine Schmierölbohrung 13 vorgesehen, von der Kanäle 14 (Fig. 3) abzweigen, die,außenmittig an der Fläche 5 münden.
• Bei der Schwenkbewegung des Pleuels 2 zwischen der in Fig. 3 gezeigten linken Endstellung über die in Fig. 2 dargestellte Mittelstellung in die der Stellung von Fig. 3 spiegelbildlich entsprechende rechte Endstellung findet eine kombinierte Gleit- und Abwälzbewegung zwischen den Flächen 5 und 6 statt, welche die Bildung eines Schmierkeils ermöglicht, so daß der Verschleiß zwischen diesen Flächen gering gehalten werden kann. Dadurch, daß die Krümmungsradien der Flächen 5 und 6 sehr groß sein können, wird die Hertz'sche Flächenpressung klein gehalten, was sich wiederum günstig auf den Verschleiß und die Lebensdauer auswirkt.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig.4 bis 6 sind für gleiche oder g ei charti ge Teil c di e gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich, verwendet worden. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten zunächst dadurch daß die Fläche 6', die an der am Kolben 1' befestigten Platte 11' vorgesehen ist, eben ist, also eine Krümmimgsradius = unendlich aufweist. Die am kolbenseitigen Ende 4' des Pleuels 2' vorgesehene Fläche 5' ist dagegen ähnlich wie bei dem vorhergehenden Beispiel, im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt.
• Die Flächen 5' und 6' sind ebenfalls wie bei dem vorhergehenden Beispiel im wesentlichen rechteckig. Die Führung des Pleuels 2' im Kolben 1' erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit hilfe von Ansätzen 15, die sich in einem etwa chten Winkel an die parallel zur Schwenkachse des Pleuels verlaufenden Seitenkanten 1G dei Fläche G' anschließen und mit ihren Innenflächen 17 mit den dazu parallelen Seitenkanten 18 der am Pleuel 2 vorgesehenen Fläche 5' zusammenwirken.
• Das Pleuel 2' wird in Fig. 5 senkrecht zur Zeichnungsebene zwischen den Ansätzen 15 eingeschoben und es wird durch die Schrauben 12', welche die Platte 11' am Kolben 1' befestigen, gegen Herausfallen in der anderen Richtung gehalten. Durch die Formgebung der Innenflächen 17 der Ansätze 15 läßt sich der Bewegungsablauf zwischen den Flächen 5' und 6' einstellen, wobei eine reine Abwälzbewegung oder eine kombinierte Gleit-und Abwälzbewegung ereicht werden kann. Auch bei diesem Beispiel ist im Pleuel 2' eine Schmierölbohrung 13' vorgesehen, von der Schmierölkanäle 14' ausgehen, die in der Fläche 5' außenmittig münden.
• Für die Flächen 5, 6 und 5', 6' wird zweckmäßig eine Materialpaarung gewählt, die hart und wälzfest ist und kein Verschweissen befürchten läßt. So kann z. B. eine der Flächen nitriert und die andere umschmelzgehärtet sein.

Claims (11)

1. Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschinen P a t e n t a n s p r ü c h e Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Zweitakt-Brennkraftmaschinen, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß das kolbenseitige Ende (4,4') des Pleuels (2, 2') mit dem Kolben (1, 1') über ein segmentförmiges Abwälzlager (3, 3') zusammenwirkt, das von einer am Pleuel (2, 2') vorgesehenen Fläche (5, 5') und einer am Kolben (1,1') vorgesehenen Fläche ( 6,6') gebildet ist, die untersehiedil che Krümmungsradien aufweisen, derart, daß die Berührungslinie zwischen diesen Flächen (5, 6 bzw, 5', 6') während der Schwenkbewegung des Pleuels wandert, und daß das Pleuel durch die Abwälzbewegung seines kolbenseitigen Endes (4, 4') gegenüber dem Kolben zulassende Mittel (7 bzw. 15) gegen Herausfallen aus dem Kolben gehalten ist.
2. 2. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne, daß eine (6') der Flächen plan und die andere (5'), im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt ist. (Fig. 4-6)
3. 3. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kolben (1) vorgesehene Fläche (6), im Schnitt gesehen, konkav und die am Pleuel (2) vorgesehen Fläche (5), im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt ist. (Fig. 1-3)
4. 4. Kolt,cn-Pleuel -Verbindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konvex gekrümmte Fläche (5 bzw.

   5 ' ) atis Abschnj tten liii t unterschiedlichen Krümmungsradien zusammengesetzt ist.
5. 5. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Pleuel (2, 2') gegen Herausfallen aus dem Kolben (1, 1') haltenden Mittel (7 bzw. 15) gleichzeitig zur Führung des Pleuels in einer zur Schwenkachse des Pleuels senkrechten Richtung ausgebildet sind.
6. 6. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, am Kolben (1') bzw. am Pleuel (2') vorgesehenen Flächen (6' bzw. 5') im wesentlichen rechteckig und die Mittel von Ansätzen (15) gebildet sind, die sich in einem etwa rechten Winkel an die parallel zur Schwenkachse des Pleuels (2') verlaufenden Seitenkanten 16 der am Kolben (1') vorgesehenen Fläche (6') anschließen und mit ihren Innenflächen (17) mit den dazu parallelen Seitenkanten (18) der am Pleuel (2') vorgesehenen Fläche (5') zusammenwirken.
7. 7. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen (17) der Ansätze (15) so geformt sind, daß zwischen den am Kolben (1') und am Pleuel (2') vorgesehenen Flächen (6' bzw. 5') eine reine Abwälzbewegung stattfindet.
8. 8. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspl-uch 6, dadurch gckennzeichnet, daß die Innenflächen(17) der Ansätze (15) so geformt sind, daß zwischen den .slll Kolben (1') wind um Pleuel (2') vorgeschenen Flächen (6'bzw. 5') eine kombinierte Gleit- und Abwälzbewegung stattfindet.
9. 9. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel von einem am Kolben (1) befestigten Bolzen (7) gebildet sind, die einen Durchbruch (8) des Pleuels (2) mit Spiel in Längsrichtung des Pleuels (2) durchsetzen.
10. 10. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die am Kolben (1, 1') vorgesehene Fläche (6, 6') von einem eigenen, am Kolben angeschmubten Bauteil (11, 11') gebildet ist.
11. 11. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Fläche (5, 5') am kolbenseitigen Ende (4,-4') des Pleuels (2, 2') mindestens eine Schmierölbohrung (14 bzw. 14') außenmittig mündet.