DE3338847A1 - PISTON PIN FOR CONNECTING RODS - Google Patents
PISTON PIN FOR CONNECTING RODSInfo
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- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/10—Connection to driving members
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Description
Kolbenzapfen für PleuelstangenPiston pins for connecting rods
Die Erfindung betrifft einen Kolbenzapfen zur gelenkigen Verbindung eines Kolbens mit einer Pleuelstange einer Verbrennungskraftmaschine. The invention relates to a piston pin for the articulated connection of a piston to a connecting rod of an internal combustion engine.
Bei mit hin- und herbeweglichen Kolben ausgestatteten Verbrennungskraftmaschinen ist ein Kolben in einem Zylinder des Motorgehäuses hin- und herbeweglich gleitend gelagert. Eine Verbindungsstange, Pleuelstange genannt, ist an dem Kolben mit dem einen Ende gelenkig verbunden und an ihrem anderen Ende an einer Kurbelwelle drehbar befestigt,so daß die Hin- und Herbewegung des Kolbens in dem Zylinder die Kurbelwelle in Umdrehung versetzt.In internal combustion engines equipped with reciprocating pistons a piston is reciprocally slidably supported in a cylinder of the motor housing. A connecting rod, called a connecting rod, is attached to the Piston hinged at one end and rotatably attached to a crankshaft at its other end, so that the reciprocation of the piston in the cylinder sets the crankshaft in rotation.
Bei den bekannten Verbrennungskraftmaschinen oder Verbrennungs motoren ist das eine Ende der Pleuelstange von einer Durchgangsbohrung durchquert, die mit Bohrungen fluchtet, welche in einer Nabe des Kolbens ausgebildet sind. Durch die einander in überdeckung stehenden, fluchtenden Bohrungen im Kolben und der Pleuelstange wird ein Kolbenzapfen hindurchgesteckt, um dadurch den Kolben und die Pleuelstange gelenkig miteinander zu verbinden. Diese bekannten Kolben- und Verbindungzapfen sind gewöhnlich rohrförmig und zylindrisch geformt und weisen konstante Innen- und Außendurchmesser auf.In the known internal combustion engines or combustion engines, one end of the connecting rod is traversed by a through hole that is aligned with bores, which are formed in a hub of the piston. Through the overlapping, aligned holes in the A piston pin is inserted through the piston and the connecting rod, thereby making the piston and the connecting rod articulated to connect with each other. These known piston and connecting pins are usually tubular and cylindrically shaped and have constant inner and outer diameters.
Die Längsachse des Kolbenzapfens erstreckt sich lotrecht zur Achse der Hin- und Herbewegung des Kolbens. Demzufolge wirktwährend des Betriebs des Verbrennungsmotors auf den Kolbenzapfen eine Querkraft ein. Die Höhe dieser QuerkrdftThe longitudinal axis of the piston pin extends perpendicularly to the axis of reciprocation of the piston. As a result, acts on the during operation of the internal combustion engine Piston pin a transverse force. The amount of this lateral force
variiert jedoch entlang der Länge des Kolbenzapfens. Typisch ist, daß diese Querkraft an der Verbindungsstelle zwischen Pleuelstange und Kolben am größten ist und sich zu den Enden des Kolbenzapfens hin allmählich verringert.however, varies along the length of the piston pin. It is typical that this transverse force occurs at the connection point is largest between the connecting rod and piston and gradually decreases towards the ends of the piston pin.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wirkt die auf den Kolbenzapfen einwirkende Querkraft, daß sich der Zapfen geringfügig verformt und dabei seine normale zylindrische Form verläßt und eine ovale Form annimmt. Die Größe der Verformung des Kolbenzapfens muß jedoch begrenzt werden, um die Größe der Beanspruchung zu beschränken, der die Kolbennabe sowie die Pleuelstange durch die Zapfenverformung ausgesetzt ist..During the operation of the internal combustion engine, the transverse force acting on the piston pin acts that the Pin slightly deformed, leaving its normal cylindrical shape and assuming an oval shape. However, the amount of deformation of the piston pin must be limited in order to limit the amount of stress on the piston hub and the connecting rod exposed to pin deformation.
Da die Verformung des Kolbenzapfens an oder in der Nähe der Verbindungsstelle von Pleuelstange und Kolben ihr Maximum erreicht, war es ständige Praxis, die Wanddicke des Kolbenzapfens im Hinblick auf die maximal zu erwartende Querkraft, die auf den Kolbenzapfen während des Betriebs des Verbrennungsmotors einwirkt, zu dimensionieren.Because the deformation of the piston pin at or near the junction of the connecting rod and piston hers Having reached the maximum, it was constant practice to adjust the wall thickness of the piston pin in view of the maximum to be expected To dimension the transverse force that acts on the piston pin during operation of the internal combustion engine.
Obgleich durch die bisherige Praxis Beschädigungen, die durch die Verformung des Kolbenzapfens an der Kolbennabe und Pleuelstange verursacht werden können, verhindert wurden, hat sieh dennoch gezeigt, daß die Wanddicke des Kolbenzapfens größer ist als auf Abschnitten des Kolbenzapfens erforderlich, beispielsweise in der Nähe seiner Enden, wo die Querkraft, die auf den Kolbenzapfen einwirkt, geringer ist als die maximal erwartete Größe dieser Kraft.Dadurch wiederum ergibt sich ein erhöhtes Gewicht für den Kolbenzapfen, das der Leistung des Motors abträglich ist. Eine solche Leistungsverringerung des Motors ist insbesondere bei Flugzeugen und allgemein Luftfahrzeugen und hochtourigen Motoren kritisch.Although due to previous practice, damage caused by the deformation of the piston pin on the piston hub and connecting rod can be prevented, has nevertheless shown that the wall thickness of the piston pin is larger than on sections of the piston pin required, for example near its ends, where the transverse force acting on the piston pin is less than the maximum expected magnitude of this force in turn, there is an increased weight for the piston pin, which is detrimental to the performance of the engine. One such engine degradation is particular in aircraft and general aircraft and high-revving Motors critical.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen verbesserten Kolbenzapfen zur Verbindung eines Kolbens mit einer Pleuelstange einer Verbrennungkraftmaschine zu schaffen, der den Festigkeitsanforderungen, die beim Betrieb des Motors auftreten, entspricht, andererseits kein überflüssiges Baugewicht, verursacht durch große Wanddicken, aufweist.The object of the invention is therefore to provide an improved piston pin for connecting a piston with a connecting rod of an internal combustion engine to create that meets the strength requirements that the Operation of the engine occur, on the other hand, no superfluous structural weight caused by large Wall thicknesses.
Die Lösung dieser Aufgabe und damit die Beseitigung der eingangs genannten Nachteile der bekannten Kolbenzapfen, die einen länglichen rohrförmigen Körper mit einem Innen- und einem Außenumfang aufweisen, der in die miteinander fluchtenden Bohrungen in der Kolbennabe und der Pleuelstange, einsteckbar ist, um dadurch den Kolben und die Pleuelstange gelenkig miteinander zu verbinden, besteht darin, daß die Wanddicke des Körpers, d.h. der Abstand zwischen dem Innenumfang und dem Außenumfang, entlang der Länge des Körpers variiert, so daß die Steifigkeit des ovalen Körperquerschnitts proportional der Größe der Querkraft ist, die auf den Körper während des Betriebs des Motors einwirkt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verläuft die innere Umfangsflache des Körpers von einem Mittelpunkt aus schräg nach außen und in Richtung der beiden Enden des Körpers. Dies bedeutet, daß sich die Querschnittsfläche von Körpermitte zu den Körperenden hin verjüngt. Die schräge innere Umfangsfläche des Körpers reduziert nicht nur das Gewicht des Kolbenzapfens, und zwar im Gegensatz zu den bekannten Kolbenzapfen, sondern schafft auch eine konstante ovale Ausbildung oder Verformung des Kolbenzapfens längs seiner Länge während des Betriebs des Motors.The solution to this problem and thus the elimination of the disadvantages of the known piston pin mentioned at the beginning, which have an elongated tubular body with an inner and have an outer circumference which extends into the aligned bores in the piston boss and the connecting rod, can be inserted, thereby articulated to connect the piston and the connecting rod to one another in that the wall thickness of the body, i.e. the distance between the inner circumference and the outer circumference, along the Length of the body varies so that the rigidity of the oval body cross-section is proportional to the size of the Is the transverse force that acts on the body during the operation of the engine. In a preferred embodiment of the invention, the inner peripheral surface of the Body obliquely outward from a center point and towards the two ends of the body. This means, that the cross-sectional area is from the center of the body to the Body ends tapered. The inclined inner circumferential surface of the body not only reduces the weight of the Piston pin, in contrast to the known Piston pin, it also creates a constant oval Formation or deformation of the piston pin along its Length during operation of the engine.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention is described below with reference to the in the drawing illustrated embodiment explained in more detail. In the drawing shows:
Fig. 1 eine Tei1querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 1 is a partial cross-sectional view of an embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Längsschnittansicht der bevorzugten Ausführungsform von Fig. 1, in der schematisch die Verteilung der auf den Kolbenzapfen während des Betriebs des Motors einwirkenden Kraft dargestellt ist, undFigure 2 is a longitudinal sectional view of the preferred embodiment of Fig. 1, in which schematically the distribution of the on the piston pin during the Operation of the engine acting force is shown, and
Fig. 3 eine Stirnansicht im wesentlichen längs der Linie 3-3 in Fig. 2.Figure 3 is an end view taken substantially along the line 3-3 in Fig. 2.
In Fig. 1 ist ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt, die einen "Zylinder 12 aufweist, in dem ein Kolben 14 hin- und herverschiebbar gelagert ist. Zwei mit Abstand nebeneinanderliegende Kolbennaben 16 sind auf dem inneren Ende 18 des Kolbens 14 ausgebildet. Dazu kommt, daß jede Nabe 16 eine Querbohrung 20 aufweist, wobei die Bohrungen in bezug aufeinander fluchtend ausgerichtet und' so angeordnet sind, daß ihre Achsen lotrecht zur Achse der Hin- und Herbewegung des Kolbens 14 liegen.In Fig. 1 is part of an internal combustion engine shown, which has a "cylinder 12 in which a piston 14 is mounted to be slidable back and forth. Two with Distance adjacent piston hubs 16 are on the inner end 18 of the piston 14 is formed. In addition, each hub 16 has a transverse bore 20, the Bores are aligned with respect to one another and are arranged so that their axes are perpendicular to the axis the reciprocating movement of the piston 14 lie.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, ist an einem Wellenstück 26 der Kurbelwelle 28 eine längliche Pleuelstange 22 drehbar befestigt. Das andere Ende 30 der Pleuelstange 22 sitzt zwischen den Kolbennaben 16 und weist eine Durchgangsbohrung 32 auf, die mit den Kolbenbohrungen 20 fluchtet Ein Kolbenzapfen 34, der im folgenden im einzelnen beschrieben werden wird, ist durch die miteinander fluchtenden Bohrungen 20 und 32 hindurchgesteckt und befestigt den Kolben 14 gelenkig oder drehbar an dem Pleuel 22. Somit versetzt beim Hin- und Herbewegen des Kolbens 14 in seinem Zylinder 12 der Kolben 14 die Kurbelwelle 28 in an sich bekannter Weise in Drehung.As can also be seen from FIG. 1, an elongated connecting rod 22 is rotatable on a shaft piece 26 of the crankshaft 28 attached. The other end 30 of the connecting rod 22 sits between the piston bosses 16 and has a through hole 32, which is aligned with the piston bores 20 A piston pin 34, which is described in detail below will be, is inserted through the aligned holes 20 and 32 and fastened the Piston 14 articulated or rotatable on the connecting rod 22. Thus, when the piston 14 moves back and forth in its Cylinder 12 of piston 14 rotates crankshaft 28 in a manner known per se.
Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, die den Kolbenzapfen 34 im Detail zeigen, weist dieser einen länglichen, rohrförmigen Körper 36 mit einem Außenumfang 38 und einem Innenumfang 40 auf. Der Außenumfang 38 des Körpers 36 ist im wesentlichen zylindrisch geformt und weist im wesentlichen denselben Durchmesser auf wie die Kolbenbohrungen 20 und die Pleuelstangenbohrung 32.As can be seen from FIGS. 2 and 3, which show the piston pin 34 in detail, it has an elongated, tubular shape Body 36 with an outer circumference 38 and an inner circumference 40. The outer perimeter 38 of the body 36 is essentially cylindrical in shape and has essentially the same diameter as the piston bores 20 and connecting rod bore 32.
Wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist, werden während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine auf den Kolbenzapfen 34 Querkräfte übertragen. Diese Querkräfte sind schematisch durch die Pfeile 42 angedeutet, wobei die Länge jedes Pfeils 42 die Größe der Kraft darstellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist also die Größe der Querkraft, die auf den Kolbenzäpfen 34 einwirkt, in seiner Mitte am größten und verringert sich dann vom Mittelpunkt 37 des Kolbenzapfens 34 ausgehend nach außen in Richtung zu den freien Enden des Kolbenzapfens 34.As can be seen in particular from FIG. 2, during operation of the internal combustion engine the piston pin 34 transmit transverse forces. These transverse forces are indicated schematically by the arrows 42, where the length of each arrow 42 represents the magnitude of the force. As can be seen from Fig. 2, so is the size the transverse force acting on the piston pin 34 is greatest in its center and then decreases from the Center 37 of the piston pin 34 starting outwards in the direction of the free ends of the piston pin 34.
Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, hat die Einwirkung der Querkraft auf den Kolbenzapfen 34 während des Betriebs des Motors oder der Verbrennungsmaschine zur Folge, daß der Kolbenzapfenkörper 36 geringfügig verformt wird, so daß seine Abmessung 44, die in die Richtung der Querkraft fällt, etwas kleiner ist als seine Abmessung 46, welche lotrecht zur Querkraft liegt. Demzufolge bewirkt die Querkraft, daß der Kolbenzapfenkörper 36 eine etwas ovale Form erhält. Diese ovale Gestalt ist in Fig. 3 stark übertrieben dargestellt.As can be seen in particular from FIG. 3, the action of the transverse force on the piston pin 34 has during operation of the engine or the internal combustion engine result in that the piston pin body 36 is slightly deformed, so that its dimension 44, which falls in the direction of the transverse force, is slightly smaller than its dimension 46, which perpendicular to the shear force. As a result, the transverse force causes the piston pin body 36 to be somewhat oval Shape. This oval shape is shown greatly exaggerated in FIG.
Wie aus den Fig. 2 und 3 des weiteren hervorgeht, ist der Innenumfang 40 des Kolbenzapfenkörpers 36 hinsichtlich seiner Querschnittsform im wesentlichen kreisrund, verläuft jedoch nach außen zu abgeschrägt, wobei der Durchmesser vom Mittelpunkt 37 des Zapfenkörpers 36 aus in Richtung derAs can also be seen from FIGS. 2 and 3, the inner circumference 40 of the piston pin body 36 is with respect to its cross-sectional shape is essentially circular however, bevelled outwards, the diameter from the center 37 of the pin body 36 in the direction of the
Enden des Körpers zunimmt. Des weiteren ist die Dicke des Körpers 36, d.h. der Abstand zwischen dem Innenumfang 40 und dem Außenumfang 38 des Körpers. 36,.-proportional der auf den Zapfenkörper während des Betriebs des Motors einwirkenden Querkraft. Eine Dimensionierung der Wanddicke des Körpers 36 in der beschriebenen Weise reduziert nicht nur das Gesamtgewicht des Kolbenzapfens 34, sondern stellt auch sicher, daß die ovale Form des Zapfenkörpers 36 während des Betriebs des Motors 10 über die gesamte Länge des Kolbenzapfens 34 im wesentlichen konstant bleibt.Ends of the body increasing. Also is the thickness of the body 36, i.e. the distance between the inner circumference 40 and the outer circumference 38 of the body. 36, .- proportional the transverse force acting on the journal body during operation of the motor. Dimensioning the wall thickness of the body 36 in the manner described is reduced not only the total weight of the piston pin 34, but also ensures that the oval shape of the trunnion body 36 throughout the operation of the engine 10 Length of the piston pin 34 remains essentially constant.
Aus dem obigen ergibt sich, daß die Kolbenzapfenkonstruktion der hier beschriebenen Art nicht nur eine Gewichtsverminderung mit sich bringt, sondern auch noch eine Steigerung des betrieblichen Wirkungsgrades.Das geringe Gewicht des Kolbenzapfens ist besonders für Flugzeuge und/oder mit hohen Drehzahlen laufende Maschinen vorteilhaft.From the above it can be seen that the piston pin design of the type described here brings not only a reduction in weight with it, but also an increase in the operational efficiency. The low weight of the Piston pin is particularly suitable for aircraft and / or with machines running at high speeds are advantageous.
Es versteht sich natürlich, daß die Verteilung der Querkraft, die auf den Kolbenzapfen 34 während des Betriebs des Motors einwirkt und in der Zeichnung dargestellt ist, nur beispielsweise zu verstehen ist. Darüberhinaus kann die Verteilung der Querkraft über die Länge des Kolbenzapfens bei anderen Konstruktionen bezüglich Kolben 14 und Pleuelstange 22 variieren. In diesem Fall ändert sich die Wanddicke des Kolbenzapfens über die Länge in der Weise, daß eine ovale Steifigkeit oder eine Steifigkeit der ovalen Konfiguration erreicht wird, die proportional der Größe der Querkraftverteilung ist, um dadurch eine im wesentlichen konstante Verformung des Kolbenkörpers über dessen gesamte Länge während des Betriebs des Motors zu erreichen.It will of course be understood that the distribution of the transverse force acting on the piston pin 34 during operation of the motor acts and is shown in the drawing, is to be understood only as an example. In addition, can the distribution of the transverse force over the length of the piston pin in other designs with respect to piston 14 and connecting rod 22 vary. In this case it changes the wall thickness of the piston pin over the length in such a way that an oval stiffness or a stiffness the oval configuration is achieved which is proportional the size of the shear force distribution, thereby a substantially constant deformation of the piston body over its entire length during operation of the engine to reach.
Die oben verwendete Bezeichnung Kolbenzapfen ist gleichbedeutend mit Kolbenbolzen.The designation piston pin used above is synonymous with piston pin.
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Legal Events
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