DE3331300C2 - - Google Patents

Description

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 Ovalverformung 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 73 121 und 73 122 niedergelegten Einzelabmessungen ergeben. Die infolge der Ovalverformung des Kolbenbolzens größte Beanspruchung tritt als Bugspannung 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 erhebliche 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 verformungsarmen 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).

In der DE-A-19 46 403 ist ein eine obere und untere kreisbogenförmig gekrümmte Fläche, die durch konkave Flächen miteinander verbunden sind, aufweisender Kolbenbolzen beschrieben.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dem Kolbenbolzen der Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschinen eine solche Gestalt zu geben, daß ein verbessertes Verformungsverhalten und gleichzeitig eine weitergehende Gewichtsverminderung erzielt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem im Querschnitt doppelt-T-förmigen breitflanschigen im Pleuel oder in den Bolzennaben festgeklemmten Kolbenbolzen.

Bei einer Kolben-Pleuel-Anordnung mit im Pleuelauge festgeklemmtem Kolbenbolzen ist dieser mit einem klauenartig ausgebildeten Pleuelauge verbunden, das die äußeren und inneren Flanschflächen des unteren Flansches des Kolbenbolzens formschlüssig und/oder kraftschlüssig umgreift. Durch diese Maßnahme wird das Gewicht der Kolben-Pleuel-Anordnung zusätzlich erniedrigt.

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

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.

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.

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

Der Kolbenbolzen besteht aus Einsatzstahl, Nitrierstahl, keramischem Werkstoff oder faserverstärktem Werkstoff mit vorwiegend metallischer Matrix.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolbenbolzen muß 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 Pleuelauge oder in den Bolzennaben festzuklemmen. Auf diese Weise kommt im Motorbetrieb das maximale Widerstandsmoment zur Geltung. Die bei festgeklemmten Kolbenbolzen herkömmlicher Gestalt unzureichende Schmierung tritt bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenbolzen nicht auf, da sich der Schmiermittelnebel infolge der doppelt-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.

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

In den Bohrungen (1, 1′) der Naben (2, 2′) des mit einer Brennraummulde (3) versehenen Aluminiumkolbens (4) befindet sich der im Querschnitt doppelt-T-förmige Kolbenbolzen (5). Die inneren Flanschflächen (6, 6′) 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       kreisbogenförmig gekrümmte Flanschfläche (7′) des oberen Flansches (11) ragt formschlüssig in die korrespondierend ausgebildete Ausnehmung (12) auf der Innenseite des Kolbenbodens (13). Der untere und obere Flansch (8, 11) sind über den Steg (14) miteinander verbunden.

Der erfindungsgemäß gestaltete Kolbenbolzen wurde einer einem Zünddruck von 90 bzw. 100 bar entsprechenden dynamischen Prüflast, druckschwellend, ausgesetzt. Der Kolbenbolzen erreichte unbeschädigt die vorgegebene Grenzlastspielzahl von 2×10⁶ Schwingspielen. Die dabei deutlich gewordene hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens ist mit einer Gewichtseinsparung von 47%, bezogen auf das Gewicht eines entsprechenden hohlzylinderförmigen Kolbenbolzens, verbunden.

Claims (7)

1. Kolben-Pleuel-Anordung für Hubkolbenmaschinen mit kreisbogenförmig gekrümmten äußeren Flanschflächen (7, 7′), gekennzeichnet durch einen im Querschnitt doppelt-T-förmigen breitflanschigen im Pleuel (10) festgeklemmten Kolbenbolzen (5).

2. Kolben-Pleuel-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (5) in ein klauenartig ausgebildetes, die inneren und die äußeren Flanschflächen (6, 7) des unteren Flansches (8) des Kolbenbolzens formschlüssig und/oder kraftschlüssig umgreifendes Pleuelauge (9) eingebaut ist.

3. Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschinen mit kreibogenförmig gekrümmten äußeren Flanschflächen (7, 7′), gekennzeichnet durch einen im Querschnitt doppelt-T-förmigen breitflanschigen in den Bolzennaben (2, 2′) festgeklemmten Kolbenbolzen (5).

4. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (14) des Kolbenbolzens (5) im Bereich vergleichsweise geringer Scherbeanspruchung Erleichterungsbohrungen aufweist.

5. Kolben-Pleuel-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekrümmte Flanschfläche (7′) des oberen Flansches (11) des Kolbenbolzens (5) formschlüssig in eine korrespondierend ausgebildete Ausnehmung (12) auf der Innenseite des Kolbenbodens (13) ragt.

6. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Flanschflächen (6, 6′) des Kolbenbolzens, vorzugsweise um 2 bis 15%, geneigt sind.

7. Kolben-Pleuel-Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (5) aus Einsatzstahl, Nitrierstahl, keramischem Werkstoff oder faserverstärktem Werkstoff mit vorwiegend metallischer Matrix besteht.