DE3733982A1

DE3733982A1 - Trapezpleuel

Info

Publication number: DE3733982A1
Application number: DE19873733982
Authority: DE
Inventors: Albert Nolte
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1987-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1989-04-20

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Pleuel-Verbindung für Kolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei modernen Brennkraftmaschinen mit hohen Verbrennungs spitzendrücken und relativ niedriger Nenndrehzahl sind die auf die Kolben-Pleuel-Verbindung wirkenden Druckkräfte deutlich höher als die massenkraftbedingten Zugkräfte. Diesem Sachverhalt trägt die heute weit verbreitete Aus bildung des Pleuels als sogenanntes Trapezpleuel Rech nung.

Ein Trapezpleuel entsteht aus einem normalen "Parallel"- Pleuel durch Abschrägen der Seitenflächen des kleinen Pleuelauges zum kolbenseitigen Ende der Pleuelstange hin. Dadurch bleibt die druckaufnehmende Lagerfläche des klei nen Pleuelauges im wesentlichen unverändert, während des sen zugkraftaufnehmende Lagerfläche deutlich verkleinert wird.

Die Kolbenbolzenaugen sind der veränderten Kontur des kleinen Pleuelauges angepaßt, wodurch deren druckaufneh mende Lagerflächen entsprechend vergrößert werden. Bei gleicher Flächenpressung kann der Kolbenbolzen entspre chend verkürzt werden. Außerdem tritt eine teilweise Über deckung der druckaufnehmenden Lagerflächen von Kolbenbol zenaugen und kleinem Pleuelauge ein, wodurch die Biegebe anspruchung des Kolbenbolzens gesenkt wird und dieser schwächer dimensioniert werden kann. Ein verkürzter, schwächer dimensionierter und damit leichterer Kolbenbol zen ermöglicht ein leichteres Triebwerk und damit einen leichteren Motor.

Diese Vorteile des Trapezpleuels werden jedoch teilweise wieder aufgehoben durch die bei der Schwenkbewegung des Pleuels auftretende scheinbare Verbreiterung des kleinen Pleuelauges im Bereich der Medianebene des Kolbenbolzens. Der notwendige Freiraum zwischen den zugeordneten Seiten flächen von Kolbenbolzenaugen und kleinem Pleuelauge muß entweder durch einen größeren Abstand zwischen den Seiten flächen von Kolbenbolzenauge und kleinem Pleuelauge ge schaffen werden oder durch geringere Schräge des kleinen Pleuelauges bzw. der Kolbenbolzenaugen. Beide Maßnahmen vermindern die wirksame Lagerfläche bzw. deren Überdeckung.

Ein weiterer Nachteil des Trapezpleuels besteht darin, daß beim Ansenken der in der senkrechten Aufsicht elliptischen Form der Lager- bzw. Lagerbuchsen-Bohrung des kleinen Pleuelauges eine ungleich breite Ansenkfase entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trapezpleuel zu schaffen, das bei Sicherstellung des für die Schwenkbe wegung benötigten Freiraumes die gewünschte große Lager fläche des kleinen Pleuelauges und der Kolbenbolzenaugen zur Aufnahme der auftretenden Druck- und Zugkräfte auf weist, das außerdem eine möglichst große Überdeckung der druckbeanspruchten Lagerflächen des kleinen Pleuelauges und der Kolbenbolzenaugen verwirklicht und das eine gleichmäßige Anfasung der Lager- bzw. Lagerbuchsen-Bohrung des kleinen Pleuelauges ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Die Seitenflächen des kleinen Pleuel auges und der Kolbenbolzenaugen können doppelt oder ein fach gekrümmt sein, und zwar konvex oder konkav. Dadurch werden diese im Bereich der Meridianebene des Kolbenbol zens gegenüber dessen Scheitelbereichen zurückgenommen. Damit wird an gewünschter Stelle Raum für die Schwenkbewe gung des Pleuels gewonnen, ohne die für die Lagerbelastung entscheidenden Lagerflächen und ohne die für die Biegebe anspruchung des Kolbenbolzens entscheidende Lagerüber deckung zu vermindern. Außerdem ist eine Vergleichmäßigung der Ansenkfase der Lagerbohrung des kleinen Pleuelauges möglich.

Anspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wodurch die Seitenflächen des kleinen Pleuel auges ohne Mehrkosten im Vergleich zum Parallelpleuel geräumt werden können. Die Seitenflächen der Kolbenbolzen augen können ebenfalls kostenneutral in der gewünschten Form gegossen werden.

Die Anordnung nach Anspruch 3 bietet den Vorteil, daß die Kanten der Lagerbohrung bzw. der Lagerbüchse des kleinen Pleuelauges gleichmäßig angefast werden.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 gestattet, zugleich den erforderlichen Bewegungsfreiraum und die gleichmäßige Ansenkung des kleinen Pleuelauges zu verwirklichen.

Durch die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist sichergestellt, daß der auf Zug beanspruchte Teil des kleinen Pleuelauges und der Kolbenbolzenaugen einen größt möglichen Querschnitt aufweist.

Die Ausbildung der Seitenflächen des kleinen Pleuelauges nach Anspruch 6 bietet den Vorteil eine Form des Zugbandes des kleinen Pleuelauges, die durch keine Kerbstelle ge schwächt ist.

Die Anordnung nach Anspruch 7 gestattet die zum Bearbeiten der Bohrung des kleinen und großen Pleuelauges vorteil hafte Bearbeitungs-Auflage, wie sie beim Parallelpleuel üblich ist, auch beim Trapezpleuel anzuwenden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der fol genden Beschreibung und der Zeichnung, in der Ausführungs beispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch eine Kolben-Pleuel-Verbin dung mit kleinem Pleuelauge, dessen Seitenflächen zylindrisch-konkav gekrümmt sind;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch eine Kolben-Pleuel-Verbin dung mit kleinem Pleuelauge, dessen Seitenflächen eben sind;

Fig. 3 einen Schnitt durch das kleine Pleuelauge mit Lager buchse, die angesenkt ist.

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Zylindereinheit.

In Fig. 1 ist die Kolben-Pleuel-Verbindung, bestehend aus dem kleinen Pleuelauge 1 und den Kolbenbolzenaugen 2, ohne Kolbenbolzen dargestellt. Die linke, geschnittene Hälfte 3 des kleinen Pleuelauges 1 befindet sich in gerader Posi tion, die rechte, nicht geschnittene Hälfte 4 in Stellung maximaler Ausschwenkung des Pleuels 8. Die Seitenflächen 5 a des kleinen Pleuelauges 1 sind einfach zylindrisch-konkav gekrümmt, während die Seitenflächen 6 der Kolbenbolzenaugen 2 eben sind. Die Seitenflächen 5 a und 6 stehen bei gerader Position des kleinen Pleuelauges 1 senkrecht auf der Zeichenebene. Die Krümmung der Seiten flächen 5 a des kleinen Pleuelauges 1 wurde so gewählt, daß der zulässige Abstand a zwischen den Seitenflächen 5 a und 6 der rechten Hälfte 4 des kleinen Pleuelauges 1 in der Stellung maximaler Ausschwenkung des Pleuels 8 dargestellt nirgends unterschritten wird.

In gerader Position 3 des kleinen Pleuelauges 1 besteht im Bereich der Meridianebene des Kolbenbolzens ein Abstand b zwischen den Seitenflächen 5 a und 6, während im Bereich des oberen und unteren Scheitels des Kolbenbolzens unver ändert der Mindestabstand a zwischen den Seitenflächen 5 a und 6 bestehen bleibt. Damit ist die Lagerbreite des klei nen Pleuelauges 1 im Bereich der Scheitelpartien, die am höchsten beanspruchten sind, erhalten und wird nur im Bereich der gering belasteten Meridianpartie verringert.

Im Falle der üblicherweise ebenen Seitenflächen von Kol benbolzenaugen und kleinem Pleuelauge müßte der vergrößer te Abstand b überall zwischen den Seitenflächen 5 und 6 bestehen. Demnach wird durch die erfindungsgemäße Krümmung mindesens eines der zugeordneten Seitenflächen die Breite des Pleuelaugenlagers um die Differenz der Abstände b und a verbreitert. Um das gleiche Maß wird die Überdeckung der Druckseiten von Pleuelaugen- und Kolbenbolzenlager ver größert und dadurch das Biegemoment im Kolbenbolzen ver kleinert.

Aus Fig. 1 geht ebenfalls hervor, daß die nicht gekrümmten Abschnitte der Seitenflächen 5 a des kleinen Pleuelauges 1 und der Seitenflächen 6 der Kolbenbolzenaugen 2 parallel zur Bewegungsebene der Pleuelstange 8 angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß der auf Zug beanspruchte Teil des kleinen Pleuelauges 1 und der Kolbenbolzenaugen 2 im jeweiligen Scheitelbereich einen größtmöglichen Quer schnitt aufweist.

In Fig. 2 ist ebenfalls das kleine Pleuelauge 1 in gerader Position 3 geschnitten und in maximaler Schwenkposition 4 in Ansicht dargestellt. Die Seitenflächen 5 des kleinen Pleuelauges 1 sind in diesem Fall eben, während die Sei tenflächen 6 a der Kolbenbolzenaugen 2 einfach zylin drisch-konkav gekrümmt sind. Auch hier wurde der Krüm mungsradius so gewählt, daß der Mindestabstand a zwischen den Seitenflächen 5 und 6 a bei maximalem Ausschwenken des Pleuels 8 an keiner Stelle unterschritten wird. Die daraus folgenden Gewinne an Lagerbreite der Kolbenbolzenlager und an Überdeckung der Druckflächen von Pleuelaugen- und Kol benbolzenlagern entsprechen denen in Fig. 1 dargestellten.

Fig. 3 zeigt das kleine Pleuelauge 1 im Schnitt mit einer ebenen Seitenfläche 5 und einer gekrümmten Seitenfläche 5 a. Der Krümmungsradius wurde so gewählt, daß die Ansenk fase 9 a am gesamten Lagerumfang gleich breit ist. Im Ge gensatz dazu ist die Ansenkfase 9 bei der ebenen Seiten fläche 5 ungleich breit. Das ist eine Folge der ellipti schen Form der Lagerkante, die im Bereich der kleinen Achse der Ellipse tiefer angesenkt wird, als der in der Schnittebene liegenden großen Achse der Ellipse.

Sollte der zur Erzielung einer gleichmäßigen Ansenkfase erforderliche Krümmungsradius der Seitenflächen 5 a des kleinen Pleuelauges 1 nicht ausreichen, bei maximaler Ausschwenkung des Pleuels 8 den erforderlichen Mindestab stand a zwischen den Seitenflächen zu gewährleisten, so kann die noch erforderliche Krümmung als einfach-konkave oder erforderlichenfalls auch als einfach-konvexe Zylin derkrümmung in die Seitenflächen der Kolbenbolzenaugen gelegt werden. Somit können beide Forderungen, nämlich gleicher Mindestabstand der Seitenflächen bei maximaler Ausschwenkung des Pleuels 8 und gleich breite Ansenkfase des Lagers des kleinen Pleuelauges 1 durch die erfindungs gemäßen Maßnahmen zugleich verwirklicht werden.

Aus der rechten Schnitthälfte von Fig. 3 ist ersichtlich, daß der zylindrisch-konkav gekrümmte Teil der Seitenfläche 5 a übergangslos in den dem Schaft der Pleuelstange 8 fern liegenden, nicht gekrümmten Abschnitt der Seitenfläche 5 a übergeht. Dadurch wird eine gute, kerbspannungsfreie Ein leitung der Zugkräfte in den schmalen Scheitelbereich des kleinen Pleuelauges 1 erreicht.

In Fig. 4 ist ein Teil einer Zylindereinheit geschnitten dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die dem Schaft der Pleuelstange 8 nächstliegenden, nicht gekrümmten Abschnit te der Seitenflächen des kleinen Pleuelauges 1 in der Ebene der zugehörigen Seitenflächen des großen Pleuelauges 7 liegen. Sie bilden damit eine vorteilhafte, dem Paral lelpleuel entsprechende Bearbeitungsauflage für das Bohren des kleinen und großen Pleuelauges.

Claims

1. Kolben-Pleuel-Verbindung für Kolbenmaschinen, ins besondere Brennkraftmaschinen, wobei das kleine Pleuelauge eines Pleuels mit einem Kolben durch einen Kolbenbolzen verbunden ist, seine Seitenflächen zum kolbenseitigen Pleuelende hin abgeschrägt sind und jeweils einer Seiten fläche des kleinen Pleuelauges eine zugeordnete Seiten fläche des Kolbenbolzenauges mit geringem Abstand gegen überliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der sich gegen überliegenden Seitenflächen (5 a bzw. 6 a) zumindest teil weise eine gekrümmte Fläche ist.

2. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der sich gegen überliegenden Seitenflächen (5 a bzw. 6 a) auf der Breite des Kolbenbolzendurchmessers eine einfach-konkav gekrümmte Fläche ist, die auf der durch die Achsen von kleinem Pleuelauge (1) und großem Pleuelauge (7) gehenden Ebene senkrecht steht.

3. Kolben-Pleuel-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (5 a) des kleinen Pleuelauges (1) auf der Breite des Kolbenbolzen durchmessers zylindrisch konkav gekrümmt sind, wobei der Krümmungsradius so gewählt ist, daß beim Ansenken der Kanten der Bohrung bzw. der Lagerbuchse des kleinen Pleuelauges (1) eine gleichmäßig breite Ansenkfase (9 a) entsteht.

4. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (6 a) der Kolbenbolzenaugen (2) auf der Breite des Kolbenbolzen durchmessers zylindrisch konkav gekrümmt sind und der Krümmungsradius so gewählt ist, daß in Verbindung mit dem für das Ansenken optimalen Krümmungsradius der Seitenflä chen (5 a) des kleinen Pleuelauges (1) der für die Schwenk bewegung des kleinen Pleuelauges (1) erforderliche Frei raum (a) zwischen den zugeordneten Seitenflächen sicherge stellt ist.

5. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Seitenflächen (5, 5 a) des kleinen Pleuelauges (1) und der Seitenflächen (6, 6 a) der Kolbenbolzenaugen (2), die außerhalb der für die Krümmung vorgesehenen Bereiche liegen, parallel zur Bewegungsebene der Pleuelstange (8) angeordnet sind.

6. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaft der Pleuel stange (8) fernliegenden, nicht gekrümmten Abschnitte der Seitenflächen (5 a) des kleinen Pleuelauges (1) dessen zylindrisch konkave Flächen (5 a) tangieren.

7. Kolben-Pleuel-Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schaft der Pleuel stange (8) nächstliegenden, nicht gekrümmten Abschnitte der Seitenflächen (5 und 5 a) des kleinen Pleuelauges (1) in der Ebene der zugehörigen Seitenflächen des großen Pleuelauges (7) liegen.