DE3105702C2

DE3105702C2 - Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Zweitakt-Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3105702C2
Application number: DE19813105702
Authority: DE
Inventors: Gottlieb Dr.-Ing. Dr. 7106 Neuenstadt Wilmers
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1981-02-17
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE3105702A1

Description

Die Erfindung bc/ieht sich auf eine Kolben-Pleuel Verbindung für Hubkolbenmaschinen und insbesondere für Zweitakt Brennkraftmaschinen.

Üblicherweise erfolgt die Verbindung 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 Zweitakt-Brennkraftmaschinen findet kein Anlagewechsel zwischen dem Kolbenbolzen und dem Pleuelstangenauge statt, da bei diesen Maschinen kein Saughub durchgeführt wird lind die Vom Kolben üben den Kolbenbolzen auf das Pleuel ausgeübte Kraft stets in einer Richtung wirkt. Ähnliche Verhältnisse treten auch bei Hubkolbenkom* pressoreh mit bestimmten Druckverhältnissen auf» Das Pehlen dieses Anlagewechsel hai 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. Diese Probleme werden auch nicht dadurch gelöst, daß das Pleuel an seinem kolbenseitigen Fnde als Kugelkopf ausgebildet ist, der in einer Kugelpfanne im Kolben sitzt (GB-PS 9 84 135), da sich dort ohne Anlagewechsel kein Ölkeil zwischen Kugelkopf und Kugelpfanne ausbilden kann.

Die vorstehend in Zusammenhang mit der Lagerung des Pleuels auf dem Kolbenbolzen geschilderten Zustände können auch zwischen dem Kolbenbolzen und den Kolbenbolzenaugen eintreten, wenn sich der Schrumpfsitz zwischen Kolbenbolzen und Kolben aufgrund von Wärmedehnungen oder aufgrund eines mechanischen Ausschiagens 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 9 68 108 bekannt, den Durchmesser der Bohrungen der Kolbenbolzenaugen zumindest in Richtung senkrecht zur Kolbenachse um einige Promüie 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 AufgaDe zugrunde, 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 1 gelöst.

Bei der Ausführung gemäß der vorgenannten DE-PS 9 68 108 sind aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der KolbenboLenaugen und des Kolbenbolzens zwar unterschiedliche Krümmungsradien der miteinander zusammenwirkenden Flächen vor! anden. jedoch ist die Hert/sche Flachenpressung verhältnismäßig hoch. Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag kann die Hert/'sche Flachenpressung 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. Bekar.nthch ist die Hert/'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 f lache, 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 ZAVeitak^Brennkraf!maschinen somit die größten Kräfte auf den Kolben wirken, der Krümmungsradius groß sein, um die Flächenpressung gering zu halten*

Außerhalb dieses Bereiches kann ein kleinerer Krümmungsradius zweckmäßig sein, um ein zu starkes seitliches Auswandern der Anlagelinie aus der Mittel-

achse dos Kolbens ι*. vJrmeidan ur.d dadurch die Kolbenseitenkräfte klein zu halten.

Es sind Maschinen denkbar, bei denen das Pleuel unabhängig vom Kolben geführt 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 Vorsehlag 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 vvesentlichen 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 Seitenkamen der am Kolben vorgesehenen Fläche anschließen und mit ihren Innenflächen mit den dazu parallelen Seitenkanten der am Pleuel vorgesehenen Fläche jusnmmenwirken. Diese Innenflächen sind zusammen mit der Form der miteinander zur immenwirkenden 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 Beriihrungslinie 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 gebildet werden, der einen länglichen Durchbruch mit Spiel in Längsrichtung des Pleuels durchsetzt. Dieser Bolzen ist nicht mit dem üblichen Kolbenbolzen zu vergleichen, da er keine Arbeitsdrücke aufzunehmen hat. sondern lediglich das Herausfallen des Pleuels au^r dem Kolben zu verhindern hat.

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 l-l in Fig. 2.

Fig. 2 einen Schnitt ent ang Linie H-II in Fig. I. wobei jedoch das Pleuel nicht geschnitten ist.

F ι g. 3 einen Schnitt ähnlich F i g. 2 mit geschnittenem Pleuel und aus der l.är ~smittelebene des Knibens herausgeschwenktem Pleuel.

Fig. 4 ciren Schnitl ährlich F i g. I eines zweiten Ausführungsbcispiels entlang Linie IV-IV in F i g. 5.

F ig 5 einen Schnitt entlang Linie V-V in F i g. 4. wobei jedoch das Pleuel nicht geschnitten ist, und

I ι g b einen Schnitt ähnlich F i g. 5 mit geschnittenem und aus der l.ängsmittelachse des Kolbens herausgeschwenktem Pleuel.

Fa sei zunächst auf Fig. t bis 3 Bezug genommen, in welchen ein erstes Ausfilhrungsbeispiel der Verbindung zwischen einem Hubkolben i und einem Pleuel 2 dargestellt ist. Diese Verbindung Wird durch ein segmentförrnigcs Abwäizlägef geschaffen, das allgemein mit 3 bezeichnet und prinzipiell von einer am kolbenseitigcn Ende 4 des Pleuels 2 angeordneten Fläche 5 und einer arri Kolben 1 vorgesehenen Fläche 6 gebildet ist. Die Flächen 5 und 6 haben unterschiedliche Krümmungsradien, so daß während der Schwenkbewegung des Pleuels 2 die Berührungslinie zwischen diesen Flächen 5 und 6 wandert, wie dies aus einem Vergleich der F i g. 2 und 3 deutlich hervorgeht. Um ein Herausfallen des Pleuels 2 aus dem Kolben I 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

ίο Platte 11 erstreckt, die die Fläche 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 Durchhrueh 8 hat die Form eines Langloches, so daß der Bolzen 7 in

π 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 F i g. 3 gezeigten linken Endstellung über die in F i g. 2 dargestellte Mittelstellung in die der S^Jlung von F i g. 3 spiegelbildlich entsprechende rechte Endstellung findet eine kombinierte Gleit- und Abwälzbewegung zwischen den Flächen 5 und 6 statt, welche die Bildung »ines 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 F ι g. 4 bis 6 sind für gleiche oder gleichartige Teile die gleichen Bezugszeichen, jedoch mit einem Strich, verwendet

J5 worden. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten zunächst dadurch, daß die Fläche 6'. die an der am Kolben Γ befestigten Platte 11' vorgesehen ist. eben ist, also einen Krümmungsradius = 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 rcchtek kig. Die Führung des Pleuels 2' im Kolben Γ erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Ansrtzen 15. die sich in einem etwa rechten Winkel an d'e parallel zur Schwenkachse des Pleuels verlaufenden Seitenkanten

16 der Fläche 6' anschließen und mit ihren Innenflächen

17 mit den dazu parallelen Seiienkanten 18 der am Pleuel 2 vorgesehenen Flache 5' zusammenwirken Das Pleuel 2' wird in F i g. 5 senkrecht zur Zen.hnungsebene 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 Richtui.g gehalten. Durch die Formgebung der Innenflächen 17 der Ansätze 15 läßt sich der Bewegungsablauf zwischen den Flächen 5' und 6' einstellen, wi/bei eine reine Abwälzbewegung oder eine kombinierte Gleit- und Abwälzbewegung erreicht werden kann. Auch bei diesem Beispiel ist im Pleuel 2' eine Schmierölbohrung 13' vorgesehen, von der Schmierölkanälc 14' ausgehen, die in der Fläche 5' außenmittig münden.

;Für die Flächen 5, 6 und 5', 6' wird eine Malerialpaarüng gewählt, die hart und wälzfest ist und kein Verschweißen befürchten läßt, So kann z. B, eine der Flächen fiifriefi u*d die andere umschrrielzgchärtet sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben-Pleuel-Verbindung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Zweitakt-Brennkraftmaschinen, mit Mitteln zur Verhinderung des Herausfallens des Pleuels aus dem Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß das kolbenseitige Ende (4, 4') des Pleuels (2, T) und der Kolben (1, V) miteinander zusammenwirkende, ein segmentförmiges Abwälzlager (3,3') bildende Flächen (5,5' bzw. 6, 6') mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen.

2. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine (6') der Flächen plan und die andere (5'), im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt ist(Fig.4—6).

3. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zusammenwirkenden Flächen (5, 6) Teile einer Zylinderms-'elfläche sind und die am Kolben (1) vorgesehene Fläche (6), im Schnitt gesehen, konkav und" die am Pleuel (2) vorgesehene Fläche (5), im Schnitt gesehen, konvex gekrümmt ist (F i g. 1 —3).

4. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die konvex gekrümmte Fläche (5 bzw. 5') aus Abschnitten mit unterschiedlichen Krümmungsradien zusammengesetzt ist.

5. Kolben-Pleuel-Verbindiing nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden, am Kolben (V) bzw. am Pleuel (2') vorgesehenen Flächen (6' bzw. 5') im wesentlichen rechteckig -md die Mittel ζ .· Verhinderung des Herausfallens des Pleue/·, (2') aus dem Kolben (V) von Ansätzen (15) gebildet werd ;i, die sich in einem etwa rechten Winkel an die parallel zur Schwenkachse des Pleuels (2') verlaufenden Seitenkanten (16) der am Kolben (V) vorgesehenen Fläche (6') anschließen und mit ihren Innenflächen (17) mit den dazu parallelen Seitenkanten (18) der am Pleuel (T) vorgesehenen Fläche (5) zusammenwirken.

6. Kolben-Pleuel-Verbindung .lach einem der Ansprüche 1—5. dadurch gekennzeichnet, daß die am Kolben (I, V) vorgesehene Fläche (6, 6') von einem eigenen, am Kolben angeschraubten Bauteil (11,1Γ) gebildet wird.