DE968108C - Kolbenbolzenlagerung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitaktbrennkraftmaschinen mit Leichtmetallkolben - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 16. JANUAR 1958

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Bei Leichtmetallkollyen von Brennkraftmaschinen ist es allgemein üblich, den Durchmesser des Kolbenbolzens etwas größer auszuführen als den Durchmesser der Bohrungen der Kolbenbolzenaugen. Beim Zusammenbau wird der Kolben auf 8o bis ioo° C erwärmt. Nach dem Erkalten sitzt der Kolbenbolzen im Kolben fest, jedoch dehnt sich der Leichtmetallkolben bei der Betriebstemperatur stärker aus als der Kolbenbolzen, so daß sich im Betrieb der Bolzen auch in den Lagerbohrungen des Kolbens dreht. Die Passungstoleranzen, die für den Bolzendurchmesser und die Kolbenbolzenaugenbohrung zugelassen werden, betragen üblicherweise nur wenige tausendstel Millimeter und gehören zu den engsten, die im Motorenbau verlangt werden. Bei Zweitaktmotoren werden l>ei dieser üblichen Passung jedoch häufig sowohl am Kolbenbolzen wie auch in den Kolbenbolzenaugen des Leichtmetallkolbens Verschleißerscheinungen beobachtet, welche den Charakter von Reiboxydationen und Korrosionsangriffen haben. Solche Oxydierungen und anderweitigen Angriffe, welche auch elektrolytischer Natur sein können, sind vor allem bei innigem Kontakt von Leichtmetall und Eisenwerkstoffen häufig. Die Ursache dieser Erscheinungen muß in erster Linie im Wegfall des Anlagewechsels beim Zweitaktverfahren gesucht werden, da hierbei der Saughub entfällt und die Massenkräfte des Kolbens auch bei der Mehrzahl der schnell laufenden Dieselmotoren nicht größer werden als die vom

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Verbrennungsraum her ausgeübten Druckkräfte, so daß der Kolbenbolzen immer an der gleichen Stelle im Kolbenbolzenauge anliegt. Daneben können Verformungen des Bolzenauges unter den Betriebsbeanspruchungen, eine Abplattung des Bolzens, vielleicht auch ein leichtes Klemmen des Bolzens im Pleuelstangenauge und mangelnder ölzutritt zu den unter Druck stehenden Oberflächen zusätzliche Ursachen sein.

ίο Veränderungen der Bolzenpassung im Kolben in den bisher bekannten und üblichen Ausmaßen bringen diese schädlichen Erscheinungen nicht zum Verschwinden. Dies gilt auch für jenen bekannten Vorschlag, ein eine Relativbewegung sowohl zwischen Kolbenbolzen und Bolzenauge als auch zwischen Pleuel und Kolbenbolzen zulassendes vergrößertes Spiel vorzusehen, weil auch hierbei nur ein Spiel im Ausmaß der üblichen Laufspiele vorgesehen wurde. Durch das Ausschlagen der Kolbenbolzenaugen im Betrieb tritt ebenfalls keine Verbesserung ein, weil dieses im wesentlichen nur in Bewegungsrichtung des Kolbens erfolgt (vgl. Abb. 3), denn die in dieser Richtung wirkenden Kräfte überwiegen gegenüber den senkrecht zur Kolbenbahn wirkenden Kräften weitaus. Dies ist erklärlich durch die Tatsache, daß gerade im Bereich der größten Gaskräfte (äußere Totlage) die Pleuelstange nicht oder nur wenig gegenüber der Kolbenachse ausgeschwenkt ist. Die ausgeschlagene Bohrung des Kolbenbodzeraauges weist deshalb nur in Richtung der Kolbenachse eine Vergrößerung auf, wogegen sie senkrecht zur Kalbenaehse unverändert ist. Die Krümmungsradien der ausgeschlagenen Bohrung sind ebenfalls unverändert gleich dem Bolzenradius. Es ist deshalb einzusehen, daß der Kolbenbolzen auch bei ausgeschlagenen Kolbenbolzenaugen jeweils mit seiner halben Umfangsfläche satt in der Bohrung aufliegt und dadurch die Bildung eines Schmierkeiles nicht eintritt. Auch eine Verbesserung des Schmierölzutrittes bringt bei Zweitaktmotoren nur wenig Erfolg, weil Pumpwirkungen, wie sie bei Viertaktmotoren durch den Anlagewechsel im Kolbenbolzenauge auftreten, hier nicht vorhanden sind. Diese Nachteile treten insbesondere bei Zweitaktdieselmotoren auf, bei Avelchen höhere Drücke im Betracht kommen.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, diese Nachteile zu beseitigen, und besteht darin, daß bei einer Kolbenbolzenlagerung für Brennkraftmaschinen, bei welcher im Belastungsbereiche der Maschine — vornehmlich Zweitaktmaschine — ein Aniagewechsel zwischen Bolzen und Auge trotz hier vorhandenen Spieles nicht eintritt, der Durchmesser der fertigbearbeiteten Bohrungen der Kolbenbolzenäugen beträchtlich größer, zweckmäßig vier bis fünf Promille größer, bemessen ist als der Durchmesser des Kolbenbolzens, bei Raumtemperatur gemessen. Während bisher alle Bestrebungen dahin gingen, ein Spiel zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenaugen nach Möglichkeit zu vermeiden und zu diesem Zweck der Kolbenbolzen, wie erwähnt, mit Übermaß ausgeführt wurde, wird nun bewußt, zumindest in Richtung senkrecht zur Kolbenadhse, ein beträchtliches Laufspiel gewählt. \?ersuche haben ergeben, daß durch dieses Spiel Schädigungen der Laufflächen, insbesondere die bei den bekannten Ausbildungen festgestellten Reiboxydationen und Korrosionserscheinungen, vermieden werden, ohne daß sich dieses Spiel beim Lauf des Motors in irgendeiner Weise schädlich bemerkbar macht. Dies wird darauf zurückgeführt, daß nun im Kolbenbolzenauge ein größerer ölvorrat zur Verteilung an die Druckstellen vorhanden ist und Schmierkeile gebildet werden, welche zusammen die genannten Abniutzungserscheinungen beseitigen. Die Schmierkeile kommen dadurch zustande, daß der Krümmungsradius der Mantelfläche des Kolbenbolzenauges im Berührungsbereich zwischen Kolbenbolzen und Bolzenauge beträchtlich größer ist als der Radius des Kolbenbolzens. Damit diese Schmierkeile eine zur günstigen Wirkung hinreichende Größe aufweisen, wobei eine solche Druckverteilung auf den Mantelflächen von Kolbenbolzen und Bolzenauge zustande kommt, daß die zwischen den bewegten Teilen durch deren geringf ügige Verf ormungan auftretenden Qleit-Druck-Bewegungen jenes Ausmaß nicht übersteigen, ab welchem Reiboxydationen und andere Verschleißerscheinungen auftreten, ist, wie Versuche bestätigt haben, eine Vergrößerung des Krümmungsradius der Mantelfläche des Bolzenauges im Berührungsbereich in dem oben angegebnen Ausmaß erforderlich. Ferner wird eine starke Beanspruchung der Kolbenbolzenaugen durch die Abplattung des Bolzens, die bekanntlich dazu zwingt, die Bolzen mit größerer Wandstärke auszuführen, als es die reine Biegungsbeanspruehung erfordern würde, vermieden, und es werden die Mikro-\^rerformungen des Kolbenbolzenauges unter den Druckkräften nicht in Form einer Gleitbeanspruchung auf den Bolzen übertragen. Die Erfindung ermöglicht somit auch, leichtere Kolbenbolzen mit geringerer Wandstärke zu verwenden. Durch das Spiel des Kolbenbolzens in den Kolbenbolzenaugen wird auch ein Anreiben der Kolbenbolzenibüehsen im Pleuel bei kaltem Motor vermieden.

Die "Erfindung ist in erster Linie für Zweitaktmotoren von Bedeutung, weil der Wegfall des Anlagewechsels es ermöglicht, den Kolbenbolzen mit allseitigem Spiel in den Kreiszylinderbohrungen der Kolbenbolzenaugen zu lagern. Insbesondere bei Zweitaktdiieselmotoren, bei welchen höhere Drücke auftreten, fallen die Vorteile der Erfindung ins Gewicht. Größere Bemessungen des Kolbenbolzenspieles als sieben Promille des Bolzendurchmesisers und jede kleinere Bemessung als drei Promille fallen nicht unter die geschützte Erfindung.

Tn der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch erläutert.

Abb. ι zeigt einen Axialausschnitt durch einen Leichtmetallkolben mit Kolbenbolzen und die

Abb. 2 dazu einen Schnitt durch den Kolbenbolzen mit übertrieben dargestelltem Spiel;

Abb. 3 zeigt zum Vergleich einen üblichen Kolben mit geschnittenem Kolbenbolzen, wobei das Spiel, welches sich durch Ausschlagen des Kolben-

bolzens im Betrieb einstellen kann, ebenfalls übertrieben dargestellt ist.

In den Kolbenbolzenaugen ι des Leichtmetallkolbens 2 ist der Kolbenbolzen 3 gelagert und durch Federringe 4 in üblicher Weise axial gesichert. Bei den üblichen Ausführungen, bei welchen der Kolbenbolzen 3 mit Übermaß ausgeführt ist und satt in den Bohrungen 5 der Kolbenbolzenaugen 1 liegt, treten die Abnutzungserscheinungen, wie

ίο Reiboxydation, Korrosionen und Ausschlagen, an den Stellen α der Bohrungen 5 der Kolbenbolzenaugen ι auf. Es kann dadurch nur eine Spielvergrößerung, wie in Abb. 3 dargestellt, eintreten, wobei der Kolbenbolzen 3 mit seiner oberen Hälfte satt in den Kolbenbolzenaugen anliegt.

Erfindungsgemäß ist der Kolbenbolzen 3 nun allseitig um drei bis sieben Tausendstel seines Durchmessers kleiner bemessen als die Bohrung 5 der Kolbenbolzenaugen 1, bei Raumtemperatur gemessen (Abb. 2). Das Spiel des Kolbenbolzens 3 in den Bohrungen 5 beträgt zweckmäßig ungefähr 0,15 bis 0,3 mm. Es bildet sich so zwischen den Bohrungen 5 der Kolbenbolzenaugen 1 und dem Kolbenbolzen ein übertrieben dargestellter keil- bzw. sichelförmiger Spalt 6, in welchem sich ein gewisser ölvorrat sammelt. Durch die an den Stellen a' bereits merklich verschiedenen Schmiegungsradien bzw. Krümmungsradien von Kolbenbolzen 3 und Bohrung 5 wird an diesen Stellen die Reibrostbildung u. dgl. verhindert, wie eine große Anzahl Betriebsbeobachtungen gezeigt haben.

Diese Art des Spieles zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenauge unterscheidet sich grundsätzlich von der durch die Reibungsbeanspruchung verursachten Vergrößerung 7 des Spieles im Betrieb, da bei letzterer, wie Abb. 3 veranschaulicht, die Krümmungsradien der verschleißenden Flächen nicht in der in Abb. 2 dargestellten Weise verschieden sind.

Bei schlitzgespülten Zweitaktmotoren kann durch den geringfügigen Durchtritt der Spülluft zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenaugen, während die Kolbenbolzenaugen die Spülschlitze überschleifen, auch das Kurbelgehäuse belüftet werden, Wenn ein Luftzutritt zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenaugen unerwünscht ist, so können die Kolbenbolzenaugen ζ. B. durch in die Bohrung 5 eingesetzte Blechplatten abgeschlossen werden.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE;

1. Kolbenbolzenlagerung bei Brennkraftmaschinen, bei welcher im Belastungsbereich der Maschine — vornehmlich Zweitaktmaschine — ein Anlagewechsel zwischen Bolzen und Auge trotz hier vorhandenen Spieles nicht eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der fertiigbearbeiiteten Bohrungen der Kolbenbolzenaugen in Richtung senkrecht zur Kolbenachse um drei bis sieben, zweckmäßig vier bis fünf Promille größer bemessen ist als der Durchmesser des Kolbenbolzens, bei Raumtemperatur gemessen.

2. Kolbenbolzenlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen mit allseitigem Spiel von drei bis sieben, zweckmäßig vier bis fünf Tausendstel seines Durchmessers, bei Raumtemperatur gemessen, in den Kolbenbolzenaugen gelagert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 601 520, 611073; britische Patentschrift Nr. 675 862;

»Motortechnische Zeitschrift«, 1941, Heft 12, S. 405 bis 408;

Krüger, »Leichtmetallkolben für Fahrzeugmotoren«, 1937, S. 46, 47.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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