DE3446760C3 - Kolben, insbesondere eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben insbesondere eines Verbrennungsmotors gemäß dem Gattungsbegriff nach dem Patentan­ spruch 1.

Aus DE-AS 12 91 955 ist es bekannt, die Kolbenbolzen gegen axiales Verschieben dadurch zu sichern, daß sie mit Überdeckung eingebaut sind, d. h., daß die Bohrungen der Büchsen kleiner sind als die Durchmesser der Kolbenbolzen. Die Kolbenbolzen sind somit undrehbar in Büchsen befestigt und über die Büchsen erst drehbar in Kolben gelagert, so daß sie axial unverschiebbar sind und auch gegen Verformung widerstandsfähiger sind. Durch die erhöhte Tragfähigkeit des Bolzens kann ein Motor durch Aufladung in seiner Leistung erhöht werden, ohne daß der Kolben durch Ver­ größerung des Bolzens verändert werden muß. Nachteil einer solchen Maßnahme ist der Preßsitz zwischen Kolbenbolzen und Büchse, der die Montage erschwert.

Durch die GB-PS 10 99 260 ist es bekannt, zur Erhöhung der Tragfähigkeit des Kolbenbolzens eine genaue Abstimmung der Durch­ messer von Kolbenbolzen und des Kolbens herbeizuführen, um einen Zusammenhang zwischen den belastenden Kräften aus dem Kolben und den Widerständen aus dem Kolbenbolzen herzustellen. Damit soll die Tragfähigkeit des Bolzens optimal bemessen werden. Bei hochbelasteten Kolbenbolzen kommt es jedoch durch Durchbiegung des Kolbenbolzens in den Bolzenaugen zu hohen Spannungskonzen­ trationen an Stellen, wo der sich durchbiegende Kolbenbolzen an der Verformung durch das Bolzenauge behindert wird. Dies erfordert nicht nur eine besondere Abstimmung des Kolbenbolzens auf die belastenden Kräfte, sondern auch eine Abstimmung des Kolbens auf den Kolbenbolzen.

Ausgehend von einer Verbindung von Kolben und Kolbenbolzen gemäß dem Gattungsbegriff liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung annähernd gleicher Massenver­ hältnisse und ohne Änderung der geometrischen Abmessungen der Zylindergeometrie den Kolbenbolzen und den Kolben so zu gestalten, daß Kantenbrüche der Bolzennaben und Spaltung des Kolbens vermieden wird, ohne daß die Lagerfunktion ver­ lorengeht und die Herstellungskosten zu hoch werden.

Gelöst wird diese Aufgabe nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

Durch die Abstimmung der Bolzenmaße und des Abstands zwischen Bolzenoberkante und Brennraummuldenunterkante wird die Gefahr des Spaltbruches und Kantenbruches gebannt.

Die Verwendung eines Vollbolzens reduziert die Abplattung (Ovalverformung) nahezu auf Null, so daß Nabenbruch über zu hohe Ovalverformung bei Kaltspiel ausgeschlossen wird. Mit kleinem Abstützungsabstand und dem Ziel, etwa gleiche Massen­ verhältnisse (bei gleichem Bolzendurchmesser) zwischen Voll­ bolzen und dem heute allgemein verwendeten Bolzen mit Innen­ bohrung zu erhalten, erhöht sich zwar die Nabenpressung, doch hat sich ergeben, daß dies aufgrund der geringeren Ver­ formungswilligkeit des Vollbolzens zulässig ist. Dabei ist das Längen-Durchmesserverhältnis l/d des Bolzens so zu be­ messen, daß einerseits eine bestimmte zulässige Flächen­ pressung im Bolzenauge (Bolzennabe) nicht überschritten wird und andererseits keine wesentlichen Massenvergrößerungen eintreten. Es wird vorgeschlagen, daß der Wert für das Längen- Durchmesserverhältnis l/d des Bolzens nicht unter 1,5 liegt, aber auch nicht den Wert 2,0 überschreitet.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann dem Unteranspruch 2 entnommen werden.

Wie bereits angedeutet, läßt die kurze Abstützungslänge nur eine kleine Durchbiegung des Vollbolzens zu. Außerdem gewährleistet die günstige Führung des Kraft­ flusses vom Kolbenboden (bei Kolben mit integriertem Brennraum) auf die kurze Abstützlänge eine Verformung der Bolzennaben in Richtung Bolzendurchbiegung. Die dadurch verminderten Spannungsspitzen in den Bolzennaben lassen eine kleinere Dehnlänge zu. Diese beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zwischen 10 und 15% des Kolbendurchmessers. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt in einer Verringerung der Kompressionshöhe und somit in einer Reduzierung des Kolbengewichts. Bei gleicher Motorbauhöhe führt das zu einer Verbesserung des dy­ namischen Verhaltens durch kleinere oszillierende Massen in Verbindung mit einem kleineren λ-Wert. Bei unverändertem λ-Wert kann die Motorbauhöhe und damit das Gewicht des gesamten Motors verringert werden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung (Längsschnitt durch einen Kolben mit in den Bolzennaben angeordneten Kolbenbolzen mit Pleuelkopf) beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

In die Bohrungen 1 der Bolzennaben 2 des Kolbens 3 ist der Kolbenbolzen 4 schwimmend (d. h. weder im Kolben 3 noch in der Pleuelstange 5 festsitzend) eingesetzt. Der Kolben­ bolzen 4 ist zylindrisch und als Vollbolzen (Massivbolzen) ausgebildet und überträgt die vom Kolben 3 ausgehenden Kräfte über die Bolzennaben 2 auf den Pleuelkopf 5. Um etwa gleiche Gewichtsverhältnisse wie unter Verwendung eines Hohlbolzens zu erhalten, ist der Bolzen 4 unter Beibehaltung seines Durchmessers d kürzer ausgeführt (vergleiche Länge l). Damit die Flächenpressungen in den Bolzennaben 2 bestimmte Werte nicht übersteigen bzw. keine wesentlichen Gewichtsvergrößerungen eintreten, liegt das Längen-Durchmesserverhältnis l/d des Bolzens 4 zwischen 1,5 und 2,0.

Um bei Auflademotoren die Nabenpressungen zu vermindern, ist es vorteilhaft, die Bolzennaben 2 mit Buchsen 7 (beispiels­ weise aus gepreßter Aluminiumlegierung) auszufüttern (rechts in der Zeichnungsfigur dargestellt).

Die kurze Länge des Bolzens, genauer gesagt die kurze Ab­ stützlänge 8, läßt nur eine kleine Durchbiegung des Voll­ bolzens 4 zu. Außerdem gewährleistet die günstigere Führung des Kraftflusses vom Kolbenboden 9 (bei Kolben mit inte­ griertem Brennraum) auf die kurze Abstützlänge 8 eine Ver­ formung der Bolzennaben 2 in Richtung Bolzendurchbiegung. Die dadurch verminderten Spannungspitzen in den Bolzen­ naben 2 lassen eine kleinere Dehnlänge 10 zu. Diese be­ trägt zwischen 10 und 15% des Kolbendurchmessers D (bei Hohlbolzen ist üblicherweise eine Dehnlänge von mehr als 20% erforderlich). Der Vorteil liegt in einer Verringerung der Kompressionshöhe 11 und somit in einer Reduzierung des Kolbengewichts. Auch vorgesehene Fenster 12 dienen der Reduzierung des Kolbengewichts. Die Kolbenführung 13 und die Bolzennaben 2 werden über einen Kranz 14 verbunden. Hierdurch wird die Abreißkraft des Kolbens wesentlich erhöht.

In kostengünstiger Weise ist der Bolzen 4 nur aus Ver­ gütungsstahl (beispielsweise Ck 45 bzw. 37 Cr 4) herge­ stellt und weist durch Induktionshärtung eine ausreichende Verschleißfestigkeit auf.

Die beschriebene konstruktive Gestaltung der Kolben- Pleuelverbindung ermöglicht eine kostengünstige Ferti­ gung bei Verbesserung der Sicherheit gegen Naben­ rißanfälligkeit ohne Mehrgewicht gegenüber bisherigen Ausführungen. Zusätzlich kann je nach Konstruktions­ richtung das dynamische Verhalten bei gleicher Motor­ bauhöhe durch Verkleinerung des λ-Wertes verbessert oder bei gleichem λ-Wert die Motorbauhöhe und somit das Motorgewicht verringert werden.

Claims (2)

1. Kolben, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit zylin­ drischem Kolbenbolzen und dort angreifender Pleuelstange, wobei der Kolbenbolzen als Vollbolzen ausgebildet ist und in den dafür vorgesehenen Bohrungen des Kolbens und der Pleuelstange schwimmend gelagert ist und an den Stirnseiten der Kolbenbohrungen gegen axiales Verschieben gesichert ist, wobei ein Brennraum im Kolben liegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnlänge (10), d. h. der Abstand zwischen Bolzenoberkante und Brennraummuldenunterkante (innerer Kolbenhöhe) zwischen 10 und 15% des Kolbendurchmessers (D) beträgt, daß das Längen-Durchmesserverhältnis (l/d) des Bolzens (4) zwischen 1,5 und 2,0 liegt, und daß der Bolzen (4) aus Vergütungsstahl, beispielsweise Ck 45 bzw. 37 Cr 4, hergestellt ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (4) einer Induk­ tionshärtung ausgesetzt wird.