EP2464900A1 - Bohrungsprofil für eine kolbenbolzenlagerung - Google Patents

Bohrungsprofil für eine kolbenbolzenlagerung

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Publication number
EP2464900A1
EP2464900A1 EP10737766A EP10737766A EP2464900A1 EP 2464900 A1 EP2464900 A1 EP 2464900A1 EP 10737766 A EP10737766 A EP 10737766A EP 10737766 A EP10737766 A EP 10737766A EP 2464900 A1 EP2464900 A1 EP 2464900A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bore
piston pin
piston
bearing
axis
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10737766A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Gniesmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP2464900A1 publication Critical patent/EP2464900A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/10—Connection to driving members
    • F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
    • F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C9/00—Bearings for crankshafts or connecting-rods; Attachment of connecting-rods
    • F16C9/04—Connecting-rod bearings; Attachments thereof

Definitions

  • the invention relates to the mounting of a piston pin in a piston, via which a connecting rod is pivotally connected to the piston.
  • Each bore includes in at least a portion of a deviating from a cylindrical shape bore profile.
  • the connecting rod connects the piston with the crankshaft.
  • a piston pin is mounted on the outside, which is further guided by a connecting rod eye of the connecting rod, while the connecting rod with another large connecting rod eye encloses a crank pin of the crankshaft.
  • the hub bores and the bore in the connecting rod eye are subjected to tensile, compressive and bending stress both horizontally and in the vertical plane, in particular in the zenith and nadir.
  • the crank rocking plane is loaded by gas forces acting on the piston head, whereby changing, directed in the pressure side and the counter-pressure side different lateral forces on the piston and on the connecting rod.
  • a transfer of the gas forces takes place from the piston via the piston pin bosses on the piston pin and then into the connecting rod. This results in a periodic elastic deformation of the piston pin. Due to increased combustion pressures, the surface pressure increases in the area intended for receiving the piston pin Holes. Exceeding limit values causes consequential damage, such as material cracks or pin gap fractures, which lead to a limited service life or premature failure of the piston.
  • the greatest stress of the piston pin is established in the region of a Boio crown, a combustion chamber-side main load zone of the piston. It is known, due to the adjusting in the operating state tensile and compressive forces and the resulting deformations of the piston pin to make geometric changes to relieve the piston pin bearing and to do the holes in the piston pin bosses not exactly cylindrical.
  • a piston In order to avoid inadmissible deformation in the bores of the piston pin bosses due to mechanical and thermal loads, a piston is known from DE 44 31 990 A, in which the hub bores are designed as a form of holes.
  • an oval hub bore is proposed according to DE 16 50 206 A1, in which the large axis of the oval is transverse to the longitudinal axis of the piston. This should be achieved at the same time the improved seizure safety between the piston pin and the holes in the piston pin bosses.
  • the invention is based on the object to provide a load of the piston pin corresponding load and deformation-oriented bore profile for the hub bores of the piston and the connecting rod bore.
  • the holes in the piston pin bosses and / or the bore in the connecting rod in the circumferential direction is at least a double ovality superimposed to form a bore profile with an asymmetric fine geometry.
  • the asymmetrical fine geometry according to the invention which is designed as a mold bore, forms a bore profile which has areas in a bore entry and / or in a bore exit that are deviated between an X-axis and a Y-axis.
  • Another inventive design criterion provides that at least one of the X-axis and / or the Y-axis adjacent portion of the bore profile to the associated opposite portion in the bore inlet and / or in the hole outlet is designed differently.
  • the bore profile according to the invention comprises an inner cylindrically shaped or deviating from a cylindrical portion, which differs from the profiling of the bore entry and / or the bore exit.
  • the inventive measures advantageous for the piston pin specific bore profiling can be realized in the piston pin bosses and / or the connecting rod, which is adapted to any temperature-induced and load-dependent deformation of the piston and the piston pin.
  • a preferred design provides that the superposed ovality, in particular the bolt deformation is adjusted taking into account the lateral forces.
  • the asymmetric bore profile according to the invention offers the possibility to Achieving an advantageous higher component load capacity of the piston to optimize a distribution of forces in the direction of the pressure side (DS) and the counter-pressure side (GDS).
  • a preferred embodiment of the invention provides that at least one bore has an asymmetrical bore profile to which a multiple, i. more than double ovality is superimposed in the circumferential direction.
  • the ovality or the ovality of the bore profile are aligned in the respective bore of the piston hub and / or the connecting rod, in particular at an angle of 45 ° to the X and Y axis.
  • the asymmetry of the bore profile of at least one bore preferably in the direction of a pressure side (DS) of the piston in order to optimize a pressure distribution in the pressure-loaded zone targeted.
  • the asymmetric fine geometry in the direction of the pressure side (DS) and / or in the direction of the counterpressure side (GDS) can be arranged in the bores of the piston hubs and / or in the bore of the connecting rod eye.
  • the staggered ovalities of the asymmetrical bore profile between the pressure side (DS) and the counter-pressure side (GDS) are formed according to the invention geometrically deviating.
  • a preferred embodiment of the invention provides a stepped ovality, in which an outer region increases in several sections, each section adjoining the preceding section in a continuous manner.
  • the asymmetrical fine geometry according to the invention includes, at least in the bores of the piston hubs, a radial widening designed as an oblique trumpet shape in end zones of the bores.
  • This aligned in particular to the piston crown and / or crankshaft inner contour advantageously forms a uniformly radially expanded trumpet-shaped course, which is adapted to a deflection or elastic deformation of the piston pin in the operating state, the trumpet-shaped course both circumferentially and between the bore inlet and the bore outlet deviating can be executed.
  • the invention also includes trumpet-shaped flared end zones of the bore in the connecting rod eye.
  • the asymmetrical fine geometry including bore profile according to the invention is further designed so that a setting from a center of the bore to a bore inner wall dimension X1 of the X-axis coincides or differs from a dimension Y1 of the Y-axis.
  • the geometric design of the bore profile according to the invention also provides that the first as well as the second ovality is defined by a deviating from a cylindrical shape radial inner dimension and a radial outer dimension.
  • the inner dimensions and the outer dimensions of each ovality are according to the invention designed to coincide or deviate from each other.
  • the dimensions of the first ovality differ from the dimensions of the second ovality.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a piston according to the invention
  • FIG. 2 shows a front view of a hub bore designed according to the invention
  • FIG. 3 shows the hub bore according to FIG. 2 in a sectional view 3-3
  • FIG. 4 shows the hub bore according to FIG. 2 in a sectional view 4-4.
  • FIG. 1 shows a piston 1 in connection with a connecting rod 2 in a sectional view.
  • a piston upper part 3 of the piston 1 comprises a piston head 4 with integrated combustion chamber trough 5 and forms on the outside a flank 6 adjoining the piston head 4, to which a piston ring field 7 adjoins.
  • a piston lower part forming a piston skirt 8 two diametrically opposed piston pin bosses 9 are arranged, in each of which a hub bore 10 is introduced.
  • the hub bores 10 are intended for receiving a piston pin 11, via which the piston 1 is pivotally connected to the connecting rod 2.
  • the piston pin 11 is further guided by a bore 12 of a connecting rod 13.
  • the piston 1 In the operating state of the internal combustion engine, the piston 1 is periodically acted upon by a gas force in the arrow direction, which is transmitted via the piston pin 11 to the connecting rod 2. This results in an elastic deformation or deflection of the piston pin 11.
  • the hub bores 10 and the bore 12 in the connecting rod 13 are profiled accordingly, especially in a bore inlet and a bore outlet locally expanded radially.
  • the hub bores 10 form a bore profile 14 for this purpose.
  • FIG. 2 shows the hub bore 10 shaped as a shaped bore on an enlarged scale, as a result of which the asymmetric fine geometry of the hub bore 10 is shown Hole profile 14 is illustrated, which is superimposed in the circumferential direction of a double ovality.
  • the bore profile 14 is designed circumferentially in several areas deviating from a cylindrical shape and includes largely by 90 ° staggered ovalities 15, 16 which at an angle ⁇ 1, ⁇ 2 in each case by 45 ° to an X-axis or Y- Axis are arranged.
  • the first ovality 15 oriented at an angle ⁇ 2 to the X axis includes a radial inner dimension OV1 deviating from a cylindrical shape and a radial outer dimension OV3.
  • the second ovality 16 oriented at an angle ⁇ i to the X axis includes a radial inner dimension OV2 deviating from a cylindrical contour and a radial outer dimension OV4.
  • the ovalities 15, 16 are arranged such that the radial inner dimensions OV1, OV2 of a pressure side (DS) and the radial dimensions OV3, OV4 of a counter-pressure side (GDS) of the piston 1 are assigned.
  • the asymmetric fine geometry of the bore profile 14 comprises different dimensions OV1 and OV3 of the ovality 15 and different dimensions OV2 and OV4 of the ovality 16.
  • the ovalities 15, 16 also differ in their design.
  • the bore profile 14 includes stepless, rounded transitions between the ovalities 15, 16 so that each section joins steplessly to the next section or degree of ovality.
  • the bore profile 14 also comprises an X-axis dimension X1, which adjusts itself between a bore inner wall 17 and a bore center 18 and which differs from the Y-axis distance measure Y1 offset by 90 °.
  • FIG. 3 shows the bore profile 14 of the hub bore 10 in a view according to the section line 3-3 of FIG. 2.
  • the hub bore 10 is radially widened both on a bore inlet 19 assigned to the piston skirt 8 and on the bore outlet 20 directed to the connecting rod eye 13, correspondingly an adjusting elastic deformation of the piston pin 11 in the operating state of the internal combustion engine.
  • the dimensions of all radial extensions A1, A2, B1, B2 are designed to differ from each other.
  • the widenings A1, B1 facing the pressure side (DS) exceed the opposite widenings A2, B2 associated with the counterpressure side (GDS).
  • the widenings A1, A2 of the bore exit 20 exceed the widenings B1, B2 of the bore entry 19.
  • all radial widenings A1, A2, B1, B2 each form a stepless rounded contour or transition to a largely centered setting cylindrical section 21 of the hub bore 10.
  • FIG. 4 shows the bore profile 14 of the hub bore 10 in a view according to a section line 4-4 according to FIG. 2.
  • the dimensions of all the radial extensions A1, A3; B1, B3 designed differently from each other.
  • the widenings A1, B1 aligned in the direction of the piston crown 4 exceed the opposite widenings A3, B3 assigned to the connecting rod 2.
  • the expansions A1, A3 facing the bore outlet 20 are designed to be larger than the widenings B1, B3 of the bore inlet 19.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerung eines Kolbenbolzens (11) in einem Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, über den ein Pleuel (2) mit dem Kolben (1) gelenkig verbunden ist. Dazu weist ein Kolbenschaft (8) zwei voneinander beabstandete Kolbenbolzennaben (9) mit jeweils einer Nabenbohrung (10) auf, die zur Aufnahme des Kolbenbolzens (11) bestimmt sind, der gleichzeitig durch eine Bohrung (12) eines Pleuelauges (13) geführt ist. Jede Bohrung (10, 12) weist zumindest in einem Teilbereich ein von einer Zylinderform abweichendes Bohrungsprofil (14) mit einer asymmetrischen Feingeometrie auf. Das Bohrungsprofil (14) schließt dazu in Umfangsrichtung zumindest eine überlagerte Ovalität (15,16) ein, die in einem Bohrungseintritt (19) und/oder in einem Bohrungsaustritt (20) zwischen einer X-Achse und einer Y-Achse abweichend profiliert ist. Ebenso ist das Bohrungsprofil (14) in zumindest einem der X-Achse und/oder der Y-Achse benachbarten Abschnitt zu einem zugehörigen gegenüberliegenden Abschnitt unterschiedlich gestaltet. Weiterhin ist in einem inneren Teilbereich (21) das Bohrungsprofil (14) abweichend zu dem Bohrungseintritt (19) und/oder dem Bohrungsaustritt (20) profiliert.

Description

Bohrungsprofil für eine Kolbenbolzenlagerung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft die Lagerung eines Kolbenbolzens in einem Kolben, über den ein Pleuel mit dem Kolben gelenkig verbunden ist. Dazu weist ein Kolbenschaft zwei voneinander beabstandete Kolbenbolzennaben auf, in denen jeweils eine Nabenbohrung eingebracht ist, die zur Aufnahme des Kolbenbolzens bestimmt sind, der gleichzeitig durch eine Bohrung eines Pleuelauges geführt ist. Jede Bohrung schließt in zumindest einem Teilbereich ein von einer Zylinderform abweichendes Bohrungsprofil auf.
In Brennkraftmaschinen mit einem Kurbeltrieb verbindet das Pleuel den Kolben mit der Kurbelwelle. In zwei voneinander beabstandeten Nabenbohrungen des Kolbens ist ein Kolbenbolzen außenseitig gelagert, der weiterhin durch ein Pleuelauge des Pleuels geführt ist, während das Pleuel mit einem weiteren großen Pleuelauge einen Kurbelzapfen der Kurbelwelle umschließt. Durch den Kurbeltrieb bedingt werden die Nabenbohrungen und die Bohrung im Pleuelauge sowohl in der waagerechten also in der senkrechten Ebene, insbesondere in dem Zenit und dem Nadir auf Zug, Druck und Biegung beansprucht. Im Betriebszustand wird die Kurbelschwingebene durch auf den Kolbenboden einwirkende Gaskräfte belastet, wodurch sich wechselnde, in Druckseite und die Gegendruckseite gerichtete unterschiedliche Seitenkräfte auf den Kolben und auf das Pleuel einstellen. Eine Übertragung der Gaskräfte erfolgt dabei von dem Kolben über die Kolbenbolzennaben auf den Kolbenbolzen und anschließend in das Pleuel. Dabei kommt es zu einer periodischen elastischen Verformung des Kolbenbolzens. Aufgrund erhöhter Verbrennungsdrücke steigt die Flächenpressung im Bereich der zur Aufnahme des Kolbenbolzens bestimmten Bohrungen. Eine Überschreitung von Grenzwerten verursacht Folgeschäden wie beispielsweise Materialrisse oder Bolzennabenspaltbrüche, die zu einer einschränkten Lebensdauer bzw. zu einem vorzeitigen Ausfall des Kolbens führen. Die größte Beanspruchung des Kolbenbolzens stellt sich im Bereich eines BoIo- Scheitels ein, einer brennraumseitigen Hauptbelastungszone des Kolbens. Es ist bekannt, aufgrund der sich im Betriebszustand einstellenden Zug- und Druckkräfte und den sich daraus ergebenden Verformungen des Kolbenbolzens, zur Entlastung der Kolbenbolzenlagerung geometrische Änderungen vorzunehmen und dazu die Bohrungen in den Kolbenbolzennaben nicht exakt zylindrisch auszuführen.
Um eine unzulässige Verformung in den Bohrungen der Kolbenbolzennaben aufgrund von mechanischen und thermischen Belastungen zu vermeiden, ist aus der DE 44 31 990 A ein Kolben bekannt, bei dem die Nabenbohrungen als Formbohrungen gestaltet sind. Als Maßnahme, um dem Kolbenbolzen mehr Raum für Verformungen zu geben, wird gemäß der DE 16 50 206 A1 eine ovale Nabenbohrung vorgeschlagen, bei der die große Achse des Ovals quer zur Längsachse des Kolbens liegt. Damit soll gleichzeitig die verbesserte Fresssicherheit zwischen dem Kolbenbolzen und den Bohrungen in den Kolbenbolzennaben erreicht werden. Aus der DE 102 22 463 A1 ist eine stirnseitig im Nabenbereich ausgeführte Hochovalität der Nabenbohrung bekannt, bei der die im Zenit der Kolbenbolzennabe angeordnete Mantellinie des Ovals parallel zur Nabenbohrungsachse verläuft. Dadurch soll erreicht werden, dass die außerhalb der Kolbenachse liegenden seitlichen Bereiche der Nabenbohrung höher belastet werden. Die Lösungen gemäß dem bekannten Stand der Technik versuchen, die Verformung von Bohrungen der Kolbenbolzennaben zu kompensieren, indem diese abschnittsweise oval ausgelegt werden. Eine Formgebung der Bohrung, die exakt die Verformung des Kolbenbolzens und der Nabenbohrung im Belastungsfall abbildet, ist mit den Lösungen gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar. Hinzu kommt, dass für die Bohrung in dem Pleuelauge bisher keine den Verformungen im Betriebszustand angepassten Bohrungsprofile vorgeschlagen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein der Beanspruchung des Kolbenbolzens entsprechendes belastungs- und verformungsgerechtes Bohrungsprofil für die Nabenbohrungen des Kolbens und der Pleuelbohrung bereitzustellen.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen, dass zur Bildung eines Bohrungsprofils mit einer asymmetrischen Feingeometrie den Bohrungen in den Kolbenbolzennaben und/oder der Bohrung in dem Pleuelauge in Umfangsrichtung zumindest eine doppelte Ovalität überlagert ist. Die als eine Formbohrung ausgeführte erfindungsgemäße asymmetrische Feingeometrie bildet ein Bohrungsprofil, das in einem Bohrungseintritt und/oder in einem Bohrungsaustritt Bereiche aufweist, die zwischen einer X-Achse und einer Y-Achse abweichend gestaltet sind. Ein weiteres erfindungsgemäßes Auslegungskriterium sieht vor, dass zumindest ein der X-Achse und/oder der Y-Achse benachbarter Abschnitt des Bohrungsprofils zu dem zugehörigen gegenüberliegenden Abschnitt im Bohrungseintritt und/oder im Bohrungsaustritt unterschiedlich gestaltet ist. Außerdem umfasst das Bohrungsprofil gemäß der Erfindung einen inneren zylindrisch gestalteten oder von einer Zylinderform abweichenden Teilbereich, der sich von der Profilierung des Bohrungseintritts und/oder des Bohrungsaustritts unterscheidet. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann vorteilhaft eine für den Kolbenbolzen bestimmte Bohrungsprofilierung in den Kolbenbolzennaben und/oder dem Pleuelauge realisiert werden, die jeder temperaturbedingten und belastungsabhängigen Verformung des Kolbens und des Kolbenbolzens angepasst ist. Eine bevorzugte Auslegung sieht vor, dass die überlagerte Ovalität insbesondere der Bolzenverformung unter Berücksichtigung der Seitenkräfte angepasst wird. Dazu bietet das erfindungsgemäße asymmetrische Bohrungsprofil die Möglichkeit, zur Erzielung einer vorteilhaft höheren Bauteilbelastbarkeit des Kolbens eine Kräfteverteilung in Richtung der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) zu optimieren. Damit stellt sich ein verbessertes mechanisches Betriebsverhalten ein, verbunden mit deutlich reduzierten mechanischen Spannungen im Kolben, wodurch insbesondere belastungsabhängige, unerwünschte Deformationen oder Kontaktpressungen des Bolo-Scheitels in den Nabenbohrungen und/oder der Pleuelbohrung unterbleiben. Die erfindungsgemäße Bohrungsprofilierung verbessert gleichzeitig die Kolbenlebensdauer und nimmt außerdem einen positiven Einfluss auf die Geräuschbildung der Kolbenbolzenlagerung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Bohrung ein asymmetrisches Bohrungsprofil aufweist, dem eine mehrfache, d.h. mehr als doppelte Ovalität in Umfangsrichtung überlagert ist. Die Ovalität bzw. die Ovalitäten des Bohrungsprofils sind in der jeweiligen Bohrung der Kolbennaben und/oder des Pleuelauges insbesondere in einem Winkel von 45° zu der X- bzw. der Y-Achse ausgerichtet.
Weiterhin ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Asymmetrie des Bohrungsprofils zumindest einer Bohrung bevorzugt in Richtung einer Druckseite (DS) des Kolbens zu platzieren, um eine Pressungsverteilung in der druckbelasteten Zone gezielt zu optimieren. Alternativ dazu kann erfindungsgemäß in den Bohrungen der Kolbennaben und/oder in der Bohrung des Pleuelauges die asymmetrische Feingeometrie in Richtung der Druckseite (DS) und/oder in Richtung der Gegendruckseite (GDS) angeordnet werden. Die zueinander versetzten Ovalitäten des asymmetrischen Bohrungsprofils zwischen der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) sind dabei erfindungsgemäß geometrisch abweichend ausgebildet. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine gestufte Ovalität vor, bei der ein äußerer Bereich in mehreren Abschnitten zunimmt, wobei sich jeder Abschnitt an den vorhergehenden Abschnitt stufenlos anschließt. Weiterhin schließt die asymmetrische Feingeometrie gemäß der Erfindung zumindest in den Bohrungen der Kolbennaben eine als schiefe Trompetenform gestaltete radiale Aufweitung in Endzonen der Bohrungen ein. Diese insbesondere zum Kolbenboden und/oder zur Kurbelwelle ausgerichtete Innenkontur bildet vorteilhaft einen gleichmäßig radial aufgeweiteten trompetenförmigen Verlauf, der einer Durchbiegung bzw. einer elastischen Verformung des Kolbenbolzens im Betriebszustand angepasst ist, wobei der trompetenförmige Verlauf sowohl umfangsseitig als auch zwischen dem Bohrungseintritt und dem Bohrungsaustritt abweichend ausgeführt sein kann. Ergänzend dazu schließt die Erfindung ebenfalls trompetenförmig aufgeweitete Endzonen der Bohrung in dem Pleuelauge ein.
Das eine asymmetrische Feingeometrie einschließende Bohrungsprofil gemäß der Erfindung ist weiterhin so ausgelegt, dass ein sich von einer Bohrungsmitte zu einer Bohrungsinnenwand einstellendes Maß X1 der X-Achse übereinstimmt oder sich unterscheidet von einem Maß Y1 der Y-Achse. Die geometrische Auslegung des erfindungsgemäßen Bohrungsprofils sieht außerdem vor, dass die erste wie auch die zweite Ovalität von einem von einer Zylinderform abweichenden radialen Innenmaß und einem radialen Außenmaß definiert wird. Die Innenmaße und die Außenmaße jeder Ovalität sind erfindungsgemäß übereinstimmend oder voneinander abweichend ausgelegt. Weiterhin unterscheiden sich die Maße der ersten Ovalität von den Maßen der zweiten Ovalität. Diese Auslegungsvielfalt ermöglicht, ein optimales, der Beanspruchung des Kolbenbolzens entsprechendes belastungs- und verformungsgerechtes Bohrungsprofil für die Nabenbohrungen des Kolbens und der Pleuelbohrung bereitzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf vier Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in einer Schnittansicht einen erfindungsgemäßen Kolben,
Figur 2 in einer Vorderansicht eine erfindungsgemäß gestaltete Nabenbohrung,
Figur 3 die Nabenbohrung gemäß Figur 2 in einer Schnittansicht 3-3,
Figur 4 die Nabenbohrung gemäß Figur 2 in einer Schnittansicht 4-4.
Die Figur 1 zeigt einen Kolben 1 in Verbindung mit einem Pleuel 2 in einer Schnittansicht. Ein Kolbenoberteil 3 des Kolbens 1 umfasst einen Kolbenboden 4 mit integrierter Brennraummulde 5 und bildet außenseitig einen an den Kolbenboden 4 angrenzenden Feuersteg 6, an den sich ein Kolbenringfeld 7 anschließt. In einem ein Kolbenunterteil bildenden Kolbenschaft 8 sind zwei diametral gegenüberliegende Kolbenbolzennaben 9 angeordnet, in denen jeweils eine Nabenbohrung 10 eingebracht ist. Die Nabenbohrungen 10 sind zur Aufnahme eines Kolbenbolzens 11 bestimmt, über die der Kolben 1 gelenkig mit dem Pleuel 2 verbunden ist. Der Kolbenbolzen 11 ist weiterhin durch eine Bohrung 12 eines Pleuelauges 13 geführt. Im Betriebszustand der Brennkraftmaschine wird der Kolben 1 periodisch von einer Gaskraft in Pfeilrichtung beaufschlagt, die über den Kolbenbolzen 11 auf das Pleuel 2 übertragen wird. Dabei kommt es zu einer elastischen Verformung beziehungsweise Durchbiegung des Kolbenbolzens 11. Dazu sind die Nabenbohrungen 10 sowie die Bohrung 12 im Pleuelauge 13 entsprechend profiliert, insbesondere in einem Bohrungseintritt und einem Bohrungsaustritt lokal radial aufgeweitet. Die Nabenbohrungen 10 bilden dazu ein Bohrungsprofil 14.
Die Figur 2 zeigt die als Formbohrung gestaltete Nabenbohrung 10 in einem vergrößerten Maßstab, wodurch die asymmetrische Feingeometrie des Bohrungsprofils 14 verdeutlicht wird, dem in Umfangsrichtung eine doppelte Ovalität überlagert ist. Dazu ist das Bohrungsprofil 14 umfangseitig in mehreren Bereichen von einer zylindrischen Form abweichend gestaltet und schließt weitestgehend um 90° zueinander versetzte Ovalitäten 15, 16 ein, die in einem Winkel α1 , α2 jeweils um 45° zu einer X-Achse bzw. einer Y-Achse angeordnet sind. Die erste in einem Winkel α2 zu der X-Achse ausgerichtete Ovalität 15 schließt ein von einer Zylinderform abweichendes radiales Innenmaß OV1 ein sowie ein radiales Außenmaß OV3. Die zweite in einem Winkel αi zu der X-Achse ausgerichtete Ovalität 16 schließt ein von einer zylindrischen Kontur abweichendes radiales Innenmaß OV2 sowie ein radiales Außenmaß OV4 ein. Die Ovalitäten 15, 16 sind so angeordnet, dass die radialen Innenmaße OV1, OV2 einer Druckseite (DS) und die radialen Ausmaße OV3, OV4 einer Gegendruckseite (GDS) des Kolbens 1 zugeordnet sind. Die asymmetrische Feingeometrie des Bohrungsprofils 14 umfasst dabei voneinander abweichende Maße OV1 und OV3 der Ovalität 15 sowie unterschiedliche Maße OV2 und OV4 der Ovalität 16. Außerdem unterscheiden sich die Ovalitäten 15, 16 auch in der Gestaltung. Unabhängig von der Formgebung schließt das Bohrungsprofil 14 stufenlose gerundete Übergänge zwischen den Ovalitäten 15, 16 ein, so dass sich jeder Abschnitt stufenlos an den nächsten Abschnitt bzw. den nächsten Grad der Ovalität anschließt. Das Bohrungsprofil 14 umfasst außerdem ein sich zwischen einer Bohrungsinnenwand 17 und einer Bohrungsmitte 18 einstellendes Maß X1 der X-Achse, das sich von dem um 90° versetzten Abstandsmaß Y1 der Y-Achse unterscheidet.
Die Figur 3 zeigt das Bohrungsprofil 14 der Nabenbohrung 10 in einer Ansicht gemäß der Schnittlinie 3-3 von Figur 2. Die Nabenbohrung 10 ist sowohl an einem dem Kolbenschaft 8 zugeordneten Bohrungseintritt 19 als auch auf dem zum Pleuelauge 13 gerichteten Bohrungsaustritt 20 radial aufgeweitet, entsprechend einer sich einstellenden elastischen Verformung des Kolbenbolzens 11 im Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Die Maße aller radialen Aufweitungen A1 , A2, B1 , B2 sind dazu voneinander abweichend ausgelegt. Die der Druckseite (DS) zugewandten Aufweitungen A1 , B1 übertreffen die gegenüberliegenden, der Gegendruckseite (GDS) zugeordneten Aufweitungen A2, B2. Außerdem übertreffen die Aufweitungen A1 , A2 des Bohrungsaustritts 20 die Aufweitungen B1 , B2 des Bohrungseintritts 19. Unabhängig von der Größe oder Erstreckung bilden alle radialen Aufweitungen A1 , A2, B1 , B2 jeweils einen stufenlosen gerundeten Konturverlauf bzw. Übergang zu einem weitestgehend sich mittig einstellenden zylindrischen Teilbereich 21 der Nabenbohrung 10. Zur Verdeutlichung der radialen Aufweitungen ist der Verlauf des zylindrischen Teilbereichs 21 strichpunktiert über die gesamte Länge der Nabenbohrung 20 dargestellt.
Die Figur 4 zeigt das Bohrungsprofil 14 der Nabenbohrung 10 in einer Ansicht gemäß einer Schnittlinie 4-4 gemäß der Figur 2. Übereinstimmend mit der Figur 3 sind die Maße aller radialen Aufweitungen A1 , A3; B1 , B3 voneinander abweichend ausgelegt. Die in Richtung des Kolbenbodens 4 ausgerichteten Aufweitungen A1 , B1 übertreffen die gegenüberliegenden, dem Pleuel 2 zugeordneten Aufweitungen A3, B3. Außerdem sind die dem Bohrungsaustritt 20 zugewandten Aufweitungen A1 , A3 größer als die Aufweitungen B1 , B3 des Bohrungseintritts 19 ausgelegt.
Bezugszeichenliste:
1 Kolben
2 Pleuel
3 Kolbenoberteil
4 Kolbenboden
5 Brennraummulde
6 Feuersteg
7 Ringfeld
8 Kolbenschaft
9 Kolbenbolzennabe
10 Nabenbohrung
11 Kolbenbolzen
12 Bohrung
13 Pleuelauge
14 Bohrungsprofil
15 Ovalität
16 Ovalität
17 Bohrungsinnenwand
18 Bohrungsmitte
19 Bohrungseintritt
20 Bohrungsaustritt
21 Teilbereich

Claims

Bohrungsprofil für eine Kolbenbolzenlagerung Patentansprüche
1. Lagerung eines Kolbenbolzens (11) in einem Kolben (1) einer Brennkraftmaschine, über den ein Pleuel (2) mit dem Kolben (1) gelenkig verbunden ist, wobei ein Kolbenschaft (8) zwei voneinander beabstandete, diametral gegenüberliegende Kolbenbolzennaben (9) mit jeweils einer Nabenbohrung (10) aufweist, die zur Aufnahme des Kolbenbolzens (11) bestimmt sind, der gleichzeitig durch eine Bohrung (12) eines Pleuelauges (13) geführt ist und jede Bohrung (10;12) zumindest lokal ein von einer Zylinderform abweichendes Bohrungsprofil (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer asymmetrischen Feingeometrie des Bohrungsprofils (14) zumindest eine Bohrung (10, 12) der Kolbenbolzennaben (9) und/oder des Pleuelauges (13),
■ in Umfangsrichtung zumindest eine doppelte überlagerte Ovalität (15, 16) einschließt,
■ in einem Bohrungseintritt (19) und/oder in einem Bohrungsaustritt (20) zwischen einer X-Achse und einer Y-Achse abweichend profiliert ist,
■ in zumindest einem der X-Achse und/oder der Y-Achse benachbarten Abschnitt zu einem zugehörigen gegenüberliegenden Abschnitt unterschiedlich gestaltet ist,
■ einen inneren Teilbereich (21) aufweist, der abweichend zu dem Bohrungseintritt (19) und/oder dem Bohrungsaustritt (20) profiliert ist.
2. Lagerung eines Kolbenbolzens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bohrung (10,12) ein asymmetrisches Bohrungsprofil (14) aufweist, dem eine mehr als doppelte Ovalität in Umfangsrichtung überlagert ist.
3. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ovalität (15, 16) des Bohrungsprofils (14) der Nabenbohrung (10) in einem Winkel α1 , α2 zu der X-Achse bzw. der Y-Achse angeordnet ist.
4. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie des Bohrungsprofils (14) zumindest einer Bohrung (10, 12) in Richtung einer Druckseite (DS) des Kolbens (1) platziert ist.
5. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zueinander versetzte Ovalitäten (15, 16) des Bohrungsprofils (14) zwischen der Druckseite (DS) und der Gegendruckseite (GDS) geometrisch abweichend ausgebildet sind.
6. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Ovalität (15, 16) in mehreren Abschnitten zunimmt, wobei sich jeder Abschnitt an den vorhergehenden Abschnitt stufenlos anschließt.
7. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die asymmetrische Feingeometrie zumindest einer Bohrung (10, 12) im Bereich des Bohrungseintritt (19) und/oder des Bohrungsaustritts (20) eine als schiefe Trompetenform ausgeführte radiale Aufweitung (A1 , A2, A3; B1 , B2, B3) bildet.
8. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maß X1 der X-Achse von einer Bohrungsmitte (18) zu einer Bohrungsinnenwand (17) gleich oder ungleich zu einem Maß Y1 der Y-Achse ausgelegt ist.
9. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Ovalität (15) ein von einer Zylinderform abweichendes radiales Innenmaß OV1 und ein radiales Außenmaß OV3 einschließt, wobei das Maß OV1 gleich oder ungleich dem Maß OV3 ausgelegt werden kann.
10. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Ovalität (16) ein von einer Zylinderform abweichendes radiales Innenmaß OV2 und ein radiales Außenmaß OV4 einschließt, wobei das Maß OV2 gleich oder ungleich dem Maß OV4 ausgelegt werden kann.
11. Lagerung eines Kolbenbolzens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maße OV1 , OV3 der Ovalität (15) ungleich zu den Maßen OV2, OV4 der Ovalität (16) ausgelegt sind.
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