DE3527417A1 - Kolbenbolzen fuer hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenbolzen, insbesondere für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, ausgeführt als metallischer, zylindrischer Hohlkörper, mit zumindest in den Endbereichen vorgesehenen Ausnehmungen und einer gegenüber dem Kolben oder der Pleuelstange wirkenden Drehfixierung.

Der Kolbenbolzen ist das Verbindungselement zwischen Kolben und Pleuelstange im Triebwerk einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und bildet mit diesen Bauteilen ein Gelenk. Er überträgt die Gas- und Massenkräfte, die auf den Kolben wirken, auf die Pleuelstange. Aufgrund der Drehbeweglichkeit gegenüber mindestens einem Bauteil kann der Kolbenbolzen nur Querkräfte, aber keine Drehmomente übertragen. Er muß eine genügende Festigkeit gegenüber Ovalverformung, Biegung und Flächenpressung aufweisen.

Ein wesentliches Konstruktionsziel besteht darin, die oszillierenden Massen des Kurbeltriebs gering zu halten, damit die sich nachteilig auswirkenden Massenkräfte und die damit verbundenen Schwingungen der Brennkraftmaschine gering gehalten werden. Eine Gewichtsreduzierung des Kolbenbolzens ist daher sehr erwünscht.

Zur Gewichtseinsparung sind verschiedenen Kolbenbolzenkonstruktionen bekannt.

Mit der DE-PS 8 08 300 werden zwei Kolbenbolzen in Leichtmetallausführung vorgestellt:

1. Anstelle einer zentralen großen Bohrung wird ein Kolbenbolzen gezeigt, der mehrere gleichgroße, achsparallele Bohrungen aufweist, die symmetrisch um eine Zentralbohrung angeordnet sind.

2. Die bekannte Zentralbohrung wird ersetzt durch einen oval ausgebildeten Kolbenbolzenhohlraum, dessen kleine Ovalachse in Richtung der Kolbenlängsachse liegt. Erreicht wird dies durch eine Fixierung des Kolbenbolzens im Kolben.

Bei Betrachtung dieser beiden Kolbenbolzenvarianten kann folgendes bemerkt werden:

Im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart, der eine große Zentralbohrung aufweist, ergeben sich zu dem Kolbenbolzen, der in der Patentschrift 8 08 300 vorgestellt wird, folgende Abweichungen bei unverändertem Außendurchmesser, gleichem Gewicht und Werkstoff der Kolbenbolzen zueinander.

1. Die Kolbenbolzenvariante mit einer Vielzahl von Bohrungen gleichen Durchmessers bewirkt ein geringeres Flächenträgheitsmoment, sowie ein vermindertes Widerstandsmoment im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart.

2. Der Kolbenbolzen mit einem zentralen ovalen Durchbruch verbessert geringfügig das Flächenträgheitsmoment, das Widerstandsmoment bleibt annähernd gleich im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart. Die Gefahr einer Ovalverformung wird erheblich größer durch die fixierte Lage des Kolbenbolzens in der Form, daß die kleine Ovalachse in Richtung der Kolbenlängsachse zeigt. Ein so ausgeführter und im Kolben fixierter Kolbenbolzen wie in der Patentschrift 8 08 300 vorgestellt, rechtfertigt nicht den erhöhten Fertigungsaufwand zur Herstellung des ovalen Durchbruchs bei kaum veränderten Festigkeitswerten und deutlicher Zunahme der Gefahr einer Ovalverformung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Kolbenbolzen so zu gestalten, daß er bei geringem Gewicht größtmögliche Festigkeit bietet, sowie ausreichende Dauerhaltbarkeit bei Einhaltung der Vorgabe nach DIN für die Kolbenbolzendimensionierung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenbolzen zumindest in den Endbereichen je einen Längssteg aufweist, dessen Steg in Kolbenlängsachse liegt, wodurch symmetrische Ausnehmungen entstehen. Ein so ausgebildeter Kolbenbolzen mit Längssteg, der. in Wirkrichtung der Gaskräfte angeordnet ist, kann vereinfacht als doppelflutiges Rohr angesehen werden. Der genau in der Biegelinie angeordnete Längssteg bewirkt eine Versteifung des Kolbenbolzens und verhindert eine Ovalverformung.

Nach Anspruch 2 ist vorgesehen, die Ausnehmungen nebem dem Längssteg in Form einer Ellipse auszuführen. Die Ellipsenform vermeidet Spannungspitzen in den Übergängen und bewirkt weiche Spannungseinleitungen von der Kolbenbolzenwandung in den Längssteg und umgekehrt. Diese Ausbildung gestattet es, beispielweise bei einer Vergrößerung des Kolbenbolzendurchmessers im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart mit einer zylindrischen Bohrung, aber bei Beibehaltung des Gewichts und des Werkstoffes, eine erhebliche Verbesserung des Widerstandsmomentes und des Flächenträgheitsmomentes. Der bisherige Kolbenbolzen verlangt bei einer Durchmesservergrößerung ebenfalls eine größere Wanddicke, um eine ausreichend Festigkeit gegen Ovalverformung aufweisen zu können. Die Wanddickenzunahme bewirkt jedoch eine Gewichtszunahme.

Im Anspruch 3 ist ein Kolbenbolzen nach dem Erfindungsgedanken beschrieben, dessen Ausnehmungen von den Enden des Kolbenbolzens bis in den Bereich des Kolbenbolzens reichen, der dem Übergang von Pleuellager zu Kolbennabe entspricht. Die Ausnehmungen sind ellipsenförmig ausgebildet. Bei gleichen äußeren Abmessungen und gleichem Gewicht im Vergleich zum Kolben bisheriger Bauart kann dieses Ausführungsbeispiel als optimiert bezeichnet werden bezüglich Flächenträgheits- und Widerstandsmoment und Ovalverformung. Ein solcher Kolbenbolzen ist im Mittelteil als Vollbolzen ausgebildet. Das Kolbenbolzengewicht ist zu verringern, in dem das Mittelteil verjüngt wird bis auf eine Stegbreite die beispielsweise der Wandung des Längsstegs entspricht. Diese Kolbenbolzenform ließe sich als Fließpreßteil herstellen.

Die Ausnehmungen können ebenfalls längs durch den ganzen Kolbenbolzen reichen. Diese Gestaltung bringt Gewichtsvorteile und den Vorteil einer einfacheren Fertigung.

Der Erfindungsgedanke sieht weiter vor, die Endbereiche des Kolbenbolzens mit einer kugelförmigen Aussparung zu versehen. Die Aussparung wird vorteilhaft an den Enden der Kolbenbolzen vorgenommen mit einer möglichst großen Tiefe. Diese Maßnahme dient einerseits zur Gewichtsminderung und andererseits zur Anformung an die im Bolzen auftretenden Spannungen während des Betriebs und Überleitung der Spannungen vom Längssteg in die Kolbenbolzenaußenwand und umgekehrt.

Die Aussparungen in den Endbereichen der Kolbenbolzen kann auch erfolgen durch kugelförmige, axial verschobene Aussparungen, die sich nur über den Bereich zwischen den beiden Ausnehmungen erstrecken. Eine solche Aussparung kann nicht auf der Drehmaschine angebracht werden, da es sich hierbei um eine axial vom Mittelpunkt verschobene Kontur handelt. Beispielsweise läßt sich die Aussparung mit Hilfe eines Walzenfräsers herstellen.

Die symmetrischen Ausnehmungen beidseitig vom Längssteg, können ebenfalls eine nierenförmige Querschnittsformen aufweisen. Der Kolbenbolzen wird nach dem Erfindungsgedanken so ausgeführt, daß der Übergangsradius vom Längssteg zur Bolzenaußenwand möglichst groß gehalten wird, um in diesem Bereich eine Materialanhäufung zur Versteifung des Kolbenbolzens zu erhalten. Mit dieser Gestaltung läßt sich ebenfalls ein gewichtsoptimierter Kolbenbolzen realisieren.

Die elliptische Querschnittsform der Ausnehmungen kann verändert werden, in dem die achsparallel verlaufende Ellipsenform nur im mittleren Teil des Kolbenbolzens erhalten bleibt bis in den Bereich des Kolbenbolzens der dem Übergang zwischen Pleuellager und Kolbennabe entspricht und sich dann zu den Enden des Kolbenbolzens hin konischartig aufweitet. Diese Gestaltung stellt einen Kolbenbolzen dar, der gewichtsoptimiert ist bei Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften und der äußeren Abmessungen im Vergleich zum Kolben bisheriger Bauart. Ebenso besitzen Kolbenbolzen in dieser Formgebung erheblich höhere Flächenträgheits- und Widerstandsmomente bei gleichem Gewicht und gleicher äußerer Abmessung im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart.

Eine weitere Kolbenbolzenausbildung, bei der die ellipsenförmige Ausnehmung konischartig von den Enden des Kolbenbolzens beidseitig bis zur Mitte des Kolbenbolzens verlaufen, wird im Anspruch 9 vorgestellt. Diese Ausbildung stellt eine optimale Materialausnutzung dar bei erheblicher Steigerung der Flächenträgheits- und Widerstandsmomente bei gleichem Gewicht und nahezu gleicher Abmessung im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart.

Vorteilhaft wird bei nierenförmigen wie auch ellipsenförmigen Ausnehmungsquerschnitten ein gleiches Wandstärkenverhältnis angesehen, d. h. Kolbenbolzenaußenwand und Längssteg besitzen gleich große Wandstärke. Mit Hilfe von großen Übergangsradien kann so eine gute Spannungseinleitung in die Kolbenbolzenaußenwand und in den Längssteg erfolgen.

Der Kolbenbolzen ist nach Anspruch 11 fixiert in der Form, daß der Längssteg des Kolbenbolzens in Richtung der Kolbenlängsachse zeigt. Durch Bohrungen quer zur Kolbennabe und zum Kolbenbolzen, mittig (radial) oder auch außermittig (tangential), können beispielsweise Spannstifte eingetrieben werden, mit deren Hilfe eine bestimmte Stellung des Kolbenbolzens erreicht wird. Eine Fixierung des Kolbenbolzens erreicht wird. Eine Fixierung des Kolbenbolzens mit gleichzeitiger Gewichtseinsparung läßt sich auch dadurch erzielen, wenn der Kolbenbolzen zur Fixierung nicht durchbohrt wird, sondern beidseitig einen V-förmigen Ausschnitt erhält, in dessen Kehlen Spannstifte geführt werden, die durch Bohrungen im Kolben eingebracht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen.

Es zeigt:

Fig. 1 Kolbenbolzen im Querschnitt mit Längssteg und mit ellipsenförmigen Ausnehmungen,

Fig. 2 Schnittdarstellung (Schnitt A-B) des Kolbenbolzens gemäß Fig. 3,

Fig. 3 Seitenansicht des Kolbenbolzens gemäß Fig. 2,

Fig. 4 Draufsicht des Kolbenbolzens gemäß Fig. 2 und 3 im Schnitt gezeichnet, die Ausnehmungen sind ellipsenförmig mit einer Aufweitung zu den Enden hin,

Fig. 5 einen Kolbenbolzen im Schnitt mit ellipsenförmigen Ausnehmungen, die sich verjüngen beidseitig bis zur Kolbenbolzenmitte hin,

Fig. 6 Vorderansicht zum Kolbenbolzen gemäß Fig. 5,

Fig. 7 einen Kolbenbolzen mit konischen, ellipsenförmigen Ausnehmungen, die bis zum Bereich der Kolbenbolzennabe reichen,

Fig. 8 Vorderansicht zum Kolbenbolzen gemäß Fig. 7,

Fig. 9 Kolbenbolzen mit seitlichen V-förmigen Ausschnitten zur Fixierung,

Fig. 10 einen Kolbenbolzen mit Längs- und Mittelsteg,

Fig. 11 Kolbenbolzen mit zwei symmetrischen, nierenförmigen Ausnehmungen,

Fig. 12 Kolbenbolzen bisheriger Bauart im Querschnitt,

Fig. 13 Kolbenbolzen mit Drehfixierung im eingebauten Zustand,

Fig. 14 Kolbenbolzen gemäß Fig. 13 in der Seitenansicht (Schnittdarstellung).

Die einzeln dargestellten Kolbenbolzenformen sind in der äußeren Abmessung nahezu gleich dem Kolbenbolzen bisheriger Bauart, siehe Fig. 12, der eine zentrale, zylindrische Bohrung besitzt. Die unterschiedlichen Ausführungsformen der Kolbenbolzen, die sich alle auf die innere Gestaltung beziehen, werden in der Zeichnungsbeschreibung verdeutlicht.

In Fig. 1 ist der Kolbenbolzen 1 im Querschnitt gezeichnet. Der Längssteg 2 trennt die Ausnehmung im Kolbenbolzen in zwei gleiche, ellipsenförmige Ausnehmungen 3. Zu beachten ist bei dieser Lösung, daß im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart der Kolbenbolzendurchmesser vergrößert werden kann bei Beibehaltung des Kolbenbolzengewichts, wodurch das Massenträgheits- und das Widerstandsmoment verbessert wird und keine Gefahr der Ovalverformung besteht. Dagegen verlangt ein Kolbenbolzen bisheriger Bauart bei einer Durchmesserzunahme auch eine größere Wanddicke aus Festigkeitsgründen.

Fig. 2 zeigt den Kolbenbolzen 4 mit der im mittleren Bereich 5 des Kolbensbolzens parallel verlaufenden, ellipsenförmigen Ausnehmung 6, siehe Fig. 3. Diese Ausnehmung erweitert sich, beginnend im Bereich zwischen Pleuellager und Kolbennabe, und erreicht an den Kolbenbolzenenden 8 des Kolbenbolzens 4 den größten Querschnitt 7, siehe Fig. 3, ebenfalls in Form einer Ellipse. An den Kolbenbolzenenden 8 besitzt der Kolbenbolzen 4 jeweils eine Aussparung 9 in Form eines Kugelabschnitts. Mit dieser Ausbildung ist ein gewichtsoptimierter Kolbenbolzen realisiert mit einer Gewichtsreduzierung von ca. 10%, bei gleichen Festigkeitswerten, gleicher Werkstoffwahl und Kolbenbolzenabmessung im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht des Kolbenbolzens 4, siehe Fig. 2, in der Schnittdarstellung, die den Verlauf der Ausnehmungen 6 un 7 verdeutlichen. Deutlich erkennbar ist in dieser Darstellung auch der Verlauf des Mittelsteges 36.

Der Kolbenbolzen 10 mit den Ausnehmungen 11 ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Ausbildung ermöglicht ein hohes Flächenträgheitsmoment. Wie bereits zum Kolbenbolzen 1 nach Fig. 1 beschrieben, ist auch beim Kolbenbolzen 10 in Fig. 5 der Kolbenbolzenaußendurchmesser geringfügig vergrößert unter Beibehaltung des Gewichts im Vergleich zum Kolbenbolzen bisheriger Bauart. Die ellipsenförmige Ausnehmung 11 verjüngt sich von der äußeren Ellipse 13, siehe Fig. 6, vom Kolbenbolzenende 14 des Kolbenbolzens 10 und reicht bis zur Mitte des Kolbenbolzens 10 an die innere Ellipsengröße 12, siehe Fig. 6. An beiden Enden weist der Kolbenbolzen 10 zur Gewichtseinsparung die Aussparung 15 auf in Form eines Kugelabschnittes. Diese Aussparung ist mit einem Durchmesser, der dem zweifachen kleinen Ellipsendurchmesser der Ellipse 13 entspricht, in die Kolbenenden 14 eingebracht. Die Tiefe der Aussparung entspricht einer kugelförmigen Ansenkung unter einem Sektorwinkel von etwa 120°, bezogen auf die beiden kleinen Achsen der ellipsenförmigen Grundflächen 13 als Sehne. Der Mittelsteg ist mit 37 gekennzeichnet.

Fig. 7 zeigt den Kolbenbolzen 30 mit den Ausnehmungen 31, die achsparallel verlaufen zur Kolbenbolzenlängsachse. Die Ausnehmungen haben eine ellipsenförmige Grundfläche 31, siehe Fig. 8, die konusartig beidseitig soweit in den Kolbenbolzen 30 eingebracht werden entsprechend der Breite der nicht gezeichneten Kolbennabe. An den Kolbenbolzenenden 33 besitzt der Kolbenbolzen 30 beidseitig die Aussparung 34, die etwa der Form eines Kugelabschnittes entspricht. Die Aussparung 34 erstreckt sich auf die Kolbenbolzenenden 33, jedoch nur auf die Fläche zwischen den Aussparungen 32. Die Tiefe der Aussparung entspricht einer kugelförmigen Ansenkung unter einem Sektorwinkel von ca. 120°, bezogen auf beide kleinen Achsen der ellipsenförmigen Grundfläche 32 als Sehne. Der Längssteg 35 ist in Fig. 8 sichtbar.

Der Kolbenbolzen 16 ist in Fig. 9 gezeigt, der an den Kolbenenden 17 jeweils einen V-förmigen Ausschnitt 18 aufweist. Eine beidseitige Fixierung erfolgt durch die Stifte 19, die in der Kehle 20 der Ausschnitte angeordnet und im nicht dargestellten Kolben eingetrieben sind, oder die Fixierung erfolgt durch die Kombination von einem Stift 19 und einem üblichen Sicherungsring. Die V-förmigen Ausschnitte bedeuten darüberhinaus auch eine Gewichtsersparnis. Die Fixierung der Kolbenbolzen kann ebenfalls durch bekannte jedoch nicht dargestellte Madenschrauben erfolgen, die beispielsweise durch im Kolben eingebrachte Gewindebohrungen eingeschraubt werden und den Kolbenbolzen arretieren durch eine im Kolbenbolzen dafür vorgesehene Bohrung.

In Fig. 10 wird der Kolbenbolzen 21 mit dem Längssteg 22 und einem Mittelsteg 23 im Schnitt dargestellt. Die Ausnehmungen 38 verlaufen parallel zur Längsachse und zur Außenkontur des Kolbenbolzens 21. Vereinfacht kann der Kolbenbolzen 21 als gewichtsoptimierte Lösung zum Kolbenbolzen 30, siehe Fig. 7, betrachtet werden. Diese Gestaltung bietet sich an, wenn Kolbenbolzen als Fließpreßteil hergestellt werden. An den Kolbenbolzenenden 40 befinden sich die kugelförmigen Aussparungen 39.

Den Kolbenbolzen 24 zeigt Fig. 11 im Querschnitt. Durch den Längssteg 28 werden die Ausnehmungen 25 in zwei nierenförmige Querschnitte aufgeteilt. Der Übergangsradius 26 ist möglichst groß gehalten, um in den Übergängen von Bolzenwand 27 zum Längssteg 28 eine Materialanhäufung zwecks Versteifung zu erhalten. Die Bolzenwand und die Längsstegwand sind gleich stark. Dieser Kolbenbolzen 24 kann als eine gewichtsoptimierte Variante zu dem Kolbenbolzen 1 aus Fig. 1 betrachtet werden.

In Fig. 12 ist der Kolbenbolzen bisheriger Bauart dargestellt. Der Kolbenbolzen 29 weist die Bohrung 41 auf, die durch den ganzen Bolzen geführt ist. Vereinfacht kann ein solcher Kolbenbolzen betrachtet werden als ein dickwandiges Rohr.

Fig. 13 und 14 zeigen den Kolbenbolzen 4 im eingebauten Zustand in zwei Ansichten. In der Vorderansicht, Fig. 13, ist die in dem Kolben 40 eingebrachte Scheibenfeder 43 sichtbar. In der Seitenansicht im Schnitt dargestellt ist in Fig. 14 die einseitige, örtliche Abflachung 45 im Kolbenbolzen 4 für die aus der Nut 44 in der Kolbenbohrung 42 herausragende Scheibenfeder 43 erkennbar. Die Scheibenfeder 43 verhindert weiterhin das axiale Verschieben in eine Richtung hin. Das Verschieben in die Gegenrichtung verhindert ein üblicher Sicherungsring 46 (Sprengring).

Claims (11)

1. Kolbenbolzen, insbesondere für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, ausgeführt als metallischer, zylindrischer Hohlkörper, mit zumindest in den Endbereichen vorgesehenen Ausnehmungen und einer gegenüber dem Kolben oder der Pleuelstange wirkenden Drehfixierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (1, 4, 10, 16, 21, 24, 30) zumindest in den Endbereichen je einen Längssteg (2, 22, 28, 35, 36, 37) aufweist, der in Kolbenlängsachse liegt, wodurch symmetrische Ausnehmungen (3, 6, 7, 11, 25, 31, 38) entstehen.

2. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3, 6, 7, 11, 31) in Form einer Ellipse ausgeführt sind.

3. Kolbenbolzen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (7, 31) von den Enden des Kolbenbolzens (8, 33) konischartig verlaufen und bis in den Bereich des Kolbenbolzens reichen, der dem Übergang von Pleuellager zu Kolbennabe entspricht.

4. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3, 6, 11) durch den ganzen Kolbenbolzen (1, 4, 10) reichen.

5. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (7, 11, 31, 38) an den Kolbenbolzenenden (8, 14, 33, 39) kugelförmige Aussparungen (9, 15, 34, 40) aufweisen.

6. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (31) in den Endbereichen (33) quer zur Längsachse verschobene, kugelartige Aussparungen (34) aufweisen.

7. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (25, 38) eine nierenförmige Querschnittsform aufweisen.

8. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ellipsenförmige Querschnittsform der Ausnehmungen (6) im mittleren Teil (5) des Kolbenbolzens (4) bis in den Bereich zwischen Pleuellager und Kolbennabe achsparallel zur Kolbenbolzenlängsachse verläuft und sich dann konusförmig aufweitet.

9. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ellipsenförmige Querschnittsform der Ausnehmungen (11) im Kolbenbolzen (10) beidseitig konischartig bis zur Kolbenbolzenmitte zuläuft.

10. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärken vom Längssteg (28) und der Außenwand (27) gleich dick sind.

11. Kolbenbolzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (16) mit einem V-förmigen Ausschnitt (18) versehen ist, der zur Drehfixierung des Kolbenbolzens im Kolben dient.