DE3331300A1

DE3331300A1 - Kolben-pleuel-anordnung

Info

Publication number: DE3331300A1
Application number: DE19833331300
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. 7107 Neckarsulm Mielke
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1983-08-31
Publication date: 1985-03-14
Also published as: GB2146095B; FR2551521B1; DE3331300C2; GB8419840D0; GB2146095A; FR2551521A1; US4709620A

Description

Kolben-Pleuel-Aiiordnung

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschinen.

Bei Hubkolbenmaschinen ist der hohlzylinderförmige Kolbenbolzen das kraftübertragende Verbindungsglied zwischen Kolben und Pleuel, wobei Kolben, Kolbenbolzen und Pleuel ein Drehgelenk mit dem Kolbenbolzen als Drehzapfen bilden. Durch die am Kolbenbolzen angreifenden Kräfte wird dieser auf Biegung, Ovalverformung und Abscherung beansprucht. Bei konstanter Querschnittsfläche nimmt die Biegung des Kolbenbolzens mit steigendem Außendurchmesser ab, während die Ovalverformung zunimmt. Unzulässig hohe Qvalverformung läßt sich durch eine Vergrößerung der Wanddicke des Kolbenbolzens vermindern. In der Praxis ist man bemüht, den Kolbenbolzen so zu gestalten, daß Biegung und Ovalverformung etwa gleich groß sind, wobei sich die in DIN 73121 und 73122 niedergelegten Einzelabmessungen ergeben. Die infolge der Ovalverformung des Kolbenbolzens größte Beanspruchung tritt als zugspannung in der Innenbohrung des Kolbenbolzens auf. Die Bolzennaben werden an ihrem oberen Scheitel über den ganzen Querschnitt auf Druck beansprucht. Der Druckspannung überlagert sich noch eine er-

hebliche Biegespannung aus der Ovalverformung des Kolbenbolzens, was zu einer unzulässig hohen Beanspruchung der Bolzennaben mit der Folge der Ausbildung von Nabenspaltrissen führen kann.

Spezifisch hochbelastete Bolzennaben erfordern daher die Verwendung eines verformungsarnien Kolbenbolzens. Das widerspricht aber dem allgemeinen Bestreben nach geringeren Massen bei Hubkolbenmaschinen. Die Beanspruchung kann jedoch durch einen sogenannten Formkolbenbolzen heraufgesetzt werden, der zwei sich jeweils vom Bereich der Innenkanten der Bolzennaben bis in den Bereich der Innenkanten des kleinen Pleuels erstreckende umlaufende Einschnürungen mit im Querschnitt konischer Form aufweist. Die Möglichkeiten der Formgebung sind jedoch auf rein rotationssymmetrische Formen begrenzt. Dies ist zum einen durch die zur Bearbeitung eingesetzten Schleifverfahren bedingt, zum anderen aber auch von der Funktion her notwendig, da bei der üblichen schwimmenden Lagerung des Bolzens eine Drehbewegung des Bolzens im Betrieb stattfindet. Der Formkolbenbolzen kann daher nicht bei einer schrägen oder gestuften Nabenkonstruktion eingesetzt werden. Weiterhin kann er nur die Längsverformungen ausgleichen, und nicht die Ovalverformung der Bolzen- und Bohrungsquerschnitte (DE-B- 26 15 212).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dem Kolbenbolzen der Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschinen eine solche Gestalt zu geben, daß die große Biegebeanspruchung der Bolzennaben infolge der Ovalverformung des Kolbenbolzens unterbleibt und gleichzeitig das Gewicht der Kolben-Pleuel-Anordnung deutlich gesenkt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem im Querschnitt doppel-T-förmigen breitflanschigen Kolbenbolzen, dessen äußere Flanschflächen kreisbogenförmig gekrümmt sind.

Durch eine derartige Gestaltung des Kolbenbolzens ergibt sich bei relativ niedrigem Gewicht ein möglichst hohes Widerstandsmoment, bei gleichzeitigem Wegfall der Ovalverformung. Ein Vergleich des erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenbolzens mit einem herkömmlichen Kolbenbolzen zeigt, daß bei gleichem Widerstandsmoment sich eine Gewichtsersparnis von nahezu 20 % ergibt. Da bei Kolbenbolzen das die Biegung beeinflussende Widerstandsmoment weniger maßgebend als die durch die Ovalverformung erzeugte Biegespannung ist, lassen sich bei gleichem Werkstoff Gewichtsersparnisse von bis zu 50 % erreichen.

Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren Flanschflächen des Kolbenbolzens geneigt, wobei die Neigung vorzugsweise 2 bis 15 % beträgt.

Da der Kolben als Träger gleicher Biegebeanspruchung anzusehen ist, kann dieser im Rahmen der vorzugsweisen Ausbildung an den Stellen mit relativ geringer Scherbeanspruchung mit Erleichterungsbohrungen versehen sein, wodurch eine zusätzliche Gewichtsersparnis erzielt wird.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolbenbolzen r.iuß orientiert eingebaut werden, da das Widerstandsmoment seines Querschnitts im Gegensatz zum hohlzylindrischen Bolzen nicht für alle Achsen gleich groß ist.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, den Kolbenbolzen in der optimalen Lage, in der die Achse des maximalen Widerstandsmoments des Querschnitts des Kolbenbolzens und der Vektor des im Kolbenbolzen auftretenden maximalen Biegemoments annähernd parallel sind, im Pleuel oder in den Bohrungen der Bolzennaben festzuklemmen. Auf diese Weise kommt im Motorbetrieb das maximale Widerstandsmoment zur Geltung. Die bei festgeklemmtem Kolben-

bolzen herkömmlicher Gestalt unzureichende Schmierung tritt bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenbolzen nicht auf, da sich der Schmiermittelnebel infolge der doppel-T-förmigen Gestalt des Kolbenbolzens ungehindert in den Lagerungen des Kolbenbolzens im Pleuel bzw. in den Bolzennaben niederschlagen kann. Da bei einer festgeklemmten Bolzennabe die Lagerbuchsen sowie die seitlichen Sicherungen entfallen können, wird durch diese Maßnahme zusätzlich Gewicht eingespart.

Im Rahmen der besonderen Weiterbildung der Kolben-Pleuel-Anordnung ist der Kolbenbolzen mit einem klauenartig ausgebildeten Pleuelauge verbunden, das die äußeren und inneren Flanschflächen des unteren Flansches des Kolbenbolzens formschlüssig und kraftschlüssig umgreift. Auch durch diese Maßnahme wird das Gewicht der Kolben-Pleuel-Anordnung erniedrigt.

die Schrägstellung des Pleuelauges zur Pleuelstange kann die für die Beanspruchung des Kolbenbolzens optimale Lage eingestellt werden.

Von besonderem Vorteil ist, wenn die äußere kreisbogenförmig gekrümmte Flanschfläche des oberen Flansches des Kolbenbolzens formschlüssig in eine korrespondierend ausgebildete Ausnehmung auf der Innenseite des Kolbenbodens ragt und sich dadurch der Kolbenboden unmittelbar auf dem Kolbenbolzen abstützen kann. Neben einer deutlich besseren Wärmeableitung, vorzugsweise aus dem Bereich des Kolbenbodens wird eine bessere Krafteinleitung in den Kolbenbolzen selbst erreicht.

Für die Herstellung des Kolbenbolzens kommen Einsatz- und Nitrierstähle sowie keramische Werkstoffe und .faserverstärkte Werkstoffe mit vorwiegend metallischer Matrix in Betracht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachstehend erläutert.

In den Bohrungen 1, (I¹) der Naben 2, 2' des mit einer Brennraummulae 3 versehenen Aluminiumkoibens 4 befinuet sich der im Querschnitt doppelt-T-förmige Kolbenbolzen 5, der aus einsatzgehärtetem Stahl besteht. Die inneren Flanschflächen 6, 6¹ des Kolbenbolzens weisen eine Neigung von 2 ° auf und die äußeren Flanschflächen 7, 7' sind kreisbogenförmig gekrümmt. Die innere Flanschfläche 6 und die äußere Flanschfläche 7 des unteren Flansches 8 sind formschlüssig und kraftschlüssig mit dem klauenartig ausgebildeten kleinen Pleuelauge 9 des Pleuels 10 verbunden. Das Pleuelauge 9 selbst bildet mit dem Pleuel 10 einen Winkel von 20 °. Die äußere kreisbogenförmig gekrümmte Flanschfläche 7¹ des oberen Flansches 11 ragt formschlüssig in die korrespondierende ausgebildete Ausnehmung 12 auf der Innenseite des Kolbenbodens 13. DeL Steg 14 des Kolbenbolzens 5 weist - nicht dargestellte - Eileicljterungsbohrungen auf.

Diese Kolben-Pleuel-Anordnung wurde einer dynamiscnen Prüflast, druckschwellend, von -2/-39 bzw. -2/-40 kN ausgesetzt. Das entspricht einem zünddruck von 90 bzw. 100 bar. Diese Werte liegen um ca. 50 % über den in Ottomotoren üblicherweise auftretenden zünddrücken. Der Kolbenbolzen erreichte unbeschädigt die vorgegebene Grenzlastspielzahl von 2 χ 10 Schwingspielen. Die bei diesen Versuchen deutlich gewordene hohe Festigkeit des erfindüngsgemäß gestalteten Kolbenbolzens ergibt eine Gewichtseinsparung von 47 %, bezogen auf das Gewicht eines entsprechenden hohlzylinderförmigen Kolbenbolzens.

- Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

-l) Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschine^ gekenn- -^ zeichneb durch einen im Querschnitt doppelt-T-förmigen breitflanschigen Kolbenbolzen (5), dessen äußere Flanschflächen (7, 7¹) kreisbogenformig gekrümmt.
2. Kolben-Pleuel-Anordnung nach Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet', daß der Steg (14) des Kolbenbolzens (5) im Bereich vergleichsweise geringer Scherbeanspruchung Erleichterungsbohrungen aufweist.
3. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (5) im Pleuel (10) festgeklemmt ist.
4. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, öaß der Kolbenbolzen (5) in den Bolzennaben (2, (2¹)) festgeklemmt ist.
5. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet/ daß der Kolbenbolzen (5) in der optimalen Lage, in der die Achse des maximalen Widerstandsmoments des Querschnitts des Kolbenbolzens und der Vektor des im Kolbenbolzen auftretenden maximalen Biegemoments annäherend parallel sind, festgeklemmt ist
6. Kolben-Pleuel-Anordnung nach uen Ansprüchen 1 uis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen . (5) ein klauenartig-ausgebildetes Pleuelauge (9) aufweist, das die inneren und die äußeren Flanschflächen (6, 7,) des

unteren Flansches (8) des Kolbenbolzens formschlüssig und/oder kraftschlüssig umgreift.
7. Kolben-Pleuel-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dau die äußere yekrümmte Flanschfläche (7') des oberen Flansches (11) des Kolbenbolzens (5) formschlüssig in eine korresponciierend ausgebildete Ausnehmung (12) auf der Innenseite des Kolbenbodens (13) ragt.
8. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Flanschflächen (G-, 6¹) des Kolbenbolzens, vorzugsweise um 2 bis 15 %, geneigt ausgebildet sind.