WO2017157649A1 - Kugelgelenk und pleuel mit einem kugelgelenk - Google Patents

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WO2017157649A1
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ball head
ball
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ball joint
connecting rod
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Stefanie Hutzelmann
Alexander MUDRA
Dietmar Schulze
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Eco Holding 1 GmbH
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    • F16J1/22—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with universal joint, e.g. ball-joint
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    • F16C11/069—Manufacture of ball-joints and parts thereof, e.g. assembly of ball-joints with at least one separate part to retain the ball member in the socket; Quick-release systems
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C7/00—Connecting-rods or like links pivoted at both ends; Construction of connecting-rod heads
    • F16C7/06—Adjustable connecting-rods

Definitions

  • the invention relates to a ball joint for a connecting rod for an internal combustion engine with variable compression and a connecting rod with a ball joint.
  • a high compression ratio has a positive effect on the efficiency of the internal combustion engine.
  • compression ratio is generally understood the ratio of the entire cylinder space before compression to the remaining cylinder space after compression.
  • the compression ratio may only be selected so high that a so-called "knocking" of the internal combustion engine is avoided at full-load operation low cylinder filling, the compression ratio with higher values are selected without a "knocking" would occur.
  • the important part load range of an internal combustion engine can be improved if the compression ratio is variably adjustable. For the adjustment of the compression ratio, for example, systems with variable connecting rod length are known.
  • a connecting rod in which a pivotable lever is inserted in the small connecting rod eye, in whose central opening an eccentric is inserted.
  • the eccentric serves to receive a piston pin.
  • the lever forms a shaft-hub connection with the eccentric. Since the connection is heavily loaded during operation of the connecting rod, the demands on the manufacturing tolerances of the connection partners are high.
  • the support rods mounted on the upper connecting rod bearing eye are mounted with a ball joint in ball-headed receptacles and screwed there with cross-bolts.
  • An object of the invention is to provide a highly resilient ball joint with a ball head mounted in a ball bearing head, which is easy to assemble and is highly resilient and allows manufacturing tolerances.
  • Another object is to provide a connecting rod with such a ball joint.
  • a ball joint with a arranged on a support rod ball head, which is mounted in a ball head receptacle of a piston, wherein the ball head is secured on its outer surface in the ball head receptacle by a securing element against slipping out of the ball head receptacle.
  • the fuse element is in an installed state annular on Ball head with points of contact along the annular abutment and on a groove of the ball head receiving, the groove wall extending in an opposite direction to the support rod angle to a longitudinal axis of the support rod, wherein a tangent forms an angle to the longitudinal axis in the respective contact point of the securing element on the ball which is greater than the angle of the groove wall.
  • ball head is mounted in the ball head receptacle of a piston, which may have a form complementary to the ball head curved bottom part, which is connected to a receiving opening of the ball head receptacle in the axial direction, an at least partially funnel-shaped open space directly or indirectly.
  • a piston which may have a form complementary to the ball head curved bottom part, which is connected to a receiving opening of the ball head receptacle in the axial direction, an at least partially funnel-shaped open space directly or indirectly.
  • Through this receiving opening of the ball can be introduced head of the piston in the intended manner in the ball head socket.
  • the securing element of the ball head can be secured against slipping out of the ball head socket.
  • the fuse element is in the installed state on the circumference of the ball head along a line as a result of single or continuously successive points of contact and a groove of the ball head receiving.
  • a securing element can thereby suitably be used a curved round wire in the form of a round wire snap ring, which may be open on one side to easily insert the fuse element in the ball head receptacle can.
  • the securing element can be conveniently clipped, wherein the securing element can be biased in the installed state, so that the outer diameter is larger in the disassembled state than in the installed state.
  • the groove wall of the groove of the ball head receptacle can extend in an angle that opens in a direction opposite to the support rod to a longitudinal axis of the support rod.
  • a tangent in a point of contact of the ball head to the longitudinal axis form an angle which is greater than the angle of the groove wall.
  • the fuse element By self-locking the fuse element can not move out of the groove of the ball head receptacle, so that the connection of support rod and piston is free of play.
  • the fuse element can not be widened because it bears against the groove wall.
  • the securing element is even further drawn into the groove. The fuse element thus automatically finds its position and is centered in the groove height.
  • the ball joint according to the invention thus represents a cost-effective solution for securing the support rod in the piston, which can be represented with a securing element as a standard part or favorable special part.
  • the ball joint can thus be designed with a backlash-free backup, which also compensates for manufacturing tolerances. If any wear occurs, the fuse element can adjust itself.
  • Another advantage is the space-saving solution, so that the support piston can have more material in cross section and so the design can be made more robust. By clipping the fuse element as a round wire easy installation is possible. Its self-locking prevents slipping back of the fuse element.
  • the ball head receptacle may have a shape complementary to the ball head curved bottom part, which is connected to the receiving opening of the ball head receptacle in the axial direction, an at least partially funnel-shaped open space directly or indirectly. Due to the shape complementary to the ball head arched bottom part of the ball is head mounted so low in the ball head shot, that the ball head can be pivoted freely about its axis over a certain angle. The formation of the funnel-shaped open space which adjoins the receiving opening of the Ball head recording connects, favors an insertion of the ball head during assembly of the piston to the support rod.
  • the groove can be arranged at the transition between the complementary shape curved bottom part and the funnel-shaped open space or in the region of the at least partially funnel-shaped open space.
  • the groove may be advantageously formed, so that the angular conditions for a secure positioning of the securing element are maintained and the fuse element maintains its position over the life of the operation of the piston.
  • the securing element may be placed with bias against the groove wall. This ensures that the fuse element retains its position due to the self-locking and a play-free connection between the support rod and piston is achieved. In addition, this significantly facilitates the assembly of the piston to the support rod.
  • the securing element may surround the ball head at least partially on a circumference.
  • the securing element can be expediently designed as a round wire or Runddrahtsprengnng with an interruption.
  • the mounting of the ball head in the ball head mount can make low.
  • the securing element may have on its circumference a radially inwardly directed curvature. Due to the curvature, the securing element can invest low on the rounding of the ball head. Thus, advantageously a backlash-free storage of the ball head can be ensured in the ball head receptacle.
  • the fuse element is so at Tensile load of the piston is pressed against the groove wall and remains in its position.
  • the securing element may be formed as a curved round wire.
  • a curved round wire is a very cost-effective solution for a security element.
  • it can be obtained as a round wire snap ring as a standard part cheap.
  • a thickness of the securing element can correspond at least to the intended minimum distance between the outer surface of the ball head and the groove wall. With this thickness of the securing element, the securing element can advantageously be pulled into its position under pressure load of the piston and can not slide out of the groove. Nevertheless, there is still enough space that the ball head with the support rod can move low against the piston to work without play, without having excessive wear.
  • a connecting rod with at least one ball joint is proposed.
  • the ball joint according to the invention can be advantageously used in such a connecting rod, in particular for an internal combustion engine with variable compression, for connecting support rods with pistons of hydraulic cylinders for an adjustment of an effective connecting rod length.
  • a safe and low-wear operation of the hydraulic cylinder can be ensured by the secure connection between support rods and pistons.
  • the ball joint ensures a backlash-free connection of support rods and pistons in a cheap way.
  • the connecting rod may have means for adjusting an effective connecting rod length.
  • the connecting rod may in particular have an eccentric adjusting device, which via an eccentric lever a Adjustment of the eccentric can cause and so can adjust the effective connecting rod length in a suitable manner.
  • the eccentric lever can be adjusted, for example, conveniently via hydraulic cylinders, which have a piston with a support rod.
  • the ball joint according to the invention ensures the safe, low-wear yet play-free connection between support rods and piston of the cylinder.
  • an internal combustion engine is proposed with an adjustable compression ratio with at least one such connecting rod.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of a connecting rod with two ball joints according to the prior art.
  • Fig. 2 is a support rod with a piston and an inventive
  • FIG. 3 shows a section through the support rod according to FIG. 2; 4 shows an enlarged detail of the ball joint according to the invention of the support rod according to FIG. 3 and FIG
  • Fig. 5 is a securing element in the form of a securing element of the ball joint according to the invention.
  • the illustrated in Figure 1 known connecting rod 1 for an internal combustion engine with an adjustable compression ratio has an eccentric adjusting device 2 for adjusting an effective connecting rod length 30 with a (not shown) eccentric, which cooperates with a one or more parts eccentric lever 3.
  • the effective connecting rod length 30 is defined as the distance of the central axis of the Hublagerauges 34 of the connecting rod 1 of the central axis 32 of a bore of the eccentric as a connecting rod eye of the connecting rod 1.
  • an adjustment of the eccentric adjusting device 2 by means of a switching valve is adjustable, which may be formed as a mechanical or hydraulic valve and in or on a connecting rod 4 or a connecting rod cover 5 may be arranged.
  • a rotation of the adjustable eccentric adjusting device 2 is initiated by the action of mass and load forces of the internal combustion engine, which act on the eccentric adjusting device in a working cycle of the internal combustion engine.
  • the rotary movement or adjusting movement is assisted by one or more of hydraulic fluid, in particular engine oil, acted upon, integrated in the connecting rod 1 piston 6, 7, or the pistons 6, 7 prevent resetting the Eccentric adjusting device 2 due to varying force action directions of the force acting on the eccentric adjusting device 2 forces.
  • the pistons 6, 7 are operatively connected by means of support rods 8, 9 with the eccentric lever 3.
  • FIGS 2 to 4 show a support rod 10 with a ball joint according to the invention
  • FIG 1 which can be used, for example, in a connecting rod shown in FIG 1.
  • Figure 2 shows a plan view of the support rod 10.
  • Figure 3 is a section through the support rod 10 is shown, while Figure 4 shows an enlarged section of the ball joint 1 1 of the support rod 10 according to the invention.
  • the ball joint 1 1 comprises a arranged on the support rod 10 ball head
  • the ball head receptacle 13 comprises a shape complementary to the ball head 12 curved bottom portion 16, the head 12 is adapted to the outer contour of the ball and on which the ball head 12 can slide to allow tilting of the support rod 10. In the axial direction to the receiving opening 24 of the ball head receptacle
  • a groove 17 is arranged at the transition between the shape-complementarily curved bottom part 16 and the funnel-shaped open space 23.
  • the fuse element 15 is biased in a built-in state in the groove 17 between a contact point 18 on the ball head 12 and the groove wall 19 of the ball head receptacle 13 and enclosing the ball head 12 at least partially on a circumference.
  • the fuse element 15 may have an interruption in order to mount it in the ball head receptacle 13 can.
  • the securing element 15 has on its circumference a radially inward direction pointing buckle 22, so that the securing element 15, the outer surface of the ball head 12 only on a circumferential circumference of the ball 12 line touches as a result of individual points of contact 18.
  • the buckle 22 is given in a design of the fuse element 15 as a ring wire in any case.
  • An outer diameter of the securing element 15 is larger in a developed state than in a built-in state, so that the securing element 15 can be clipped and can rest against the groove wall 19 with prestressing.
  • the groove wall 19 extends in an opening in an opposite direction to the support rod 10 angle ⁇ to a longitudinal axis 20 of the support rod 10, wherein a tangent 21 at the contact point 18 to the longitudinal axis 20 forms an angle ß which is greater than the angle ⁇ of the groove wall 19 ,
  • a thickness of the securing element 15 may correspond to at least the intended minimum distance between the outer surface of the ball head 12 and the groove wall 19.
  • the fuse element 15 may be formed, for example, in a simple manner as a curved round wire (Runddrahtsprengring) with an interruption. It can be used with standard parts or low-cost special parts. As a material for the fuse element 15 come next to steel, for example, plastic or other materials in question. The fuse element 15 can be easily mounted by clipping, the self-locking prevents slipping back. Due to the interruption of the ring, the securing element 15 can be compressed and inserted through the receiving opening 24 in the funnel-shaped space 23 of the ball head receptacle 13 and create due to the residual stress on the groove wall 19 of the groove 17, so that it remains under bias in its position.
  • the fuse element 15 As long as the fuse element 15 is biased and the angle ⁇ ⁇ ß, the fuse element 15 sets between the groove 17 in the piston 14 and the ball head 12 of the support rod 10 and compensates for manufacturing tolerances. By self-locking the fuse element 15 can not move out of the piston 14. It can be achieved a backlash-free backup, which can also compensate for manufacturing tolerances. Due to the particularly space-saving fuse, the piston 14 in cross-section more material than in known ball joints, whereby the connection is made more robust overall.
  • the ball joint 1 1 can be advantageously used for the support rod 10 of a connecting rod 1, as shown in Figure 1, which is used for example in an internal combustion engine with adjustable compression ratio, wherein the connecting rod 1 as described above means for adjusting the effective connecting rod length 30th can have. Even with high load, the ball head 12 of the ball joint 1 1 is securely held in the ball head receptacle 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk mit einem an einer Stützstange (10) angeordneten Kugelkopf (12), der in einer Kugel kopfaufnahme (13) eines Kolbens (14) gelagert ist, wobei der Kugelkopf (12) an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme (13) durch ein Sicherungselement (15) gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme (13) gesichert ist. Das Sicherungselement (15) liegt in einem eingebauten Zustand ringförmig am Kugelkopf (12) mit Berührungspunkten (18) entlang der ringförmigen Anlage und an einer Nut (17) der Kugelkopfaufnahme (13) an, deren Nutwandung (19) sich in einem in einer zur Stützstange (10) entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel (α) zu einer Längsachse (20) der Stützstange (10) erstreckt, wobei eine Tangente (21) im jeweiligen Berührungspunkt (18) des Sicherungselements (15) am Kugelkopf (12) zur Längsachse (20) einen Winkel (ß) bildet, welcher größer als der Winkel (α) der Nutwandung (19) ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Pleuel mit einem solchen Kugelgelenk.

Description

Kugelgelenk und Pleuel mit einem Kugelgelenk
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Kugelgelenk für ein Pleuel für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung sowie ein Pleuel mit einem Kugelgelenk.
Stand der Technik
Bei Brennkraftmaschinen wirkt sich ein hohes Verdichtungsverhältnis positiv auf den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors aus. Unter Verdichtungsverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis des gesamten Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden. Bei Brennkraftmaschinen mit Fremdzündung, insbesondere Ottomotoren, die ein festes Verdichtungsverhältnis aufweisen, darf das Verdichtungsverhältnis jedoch nur so hoch gewählt werden, dass bei Volllastbetrieb ein sogenanntes „Klopfen" der Brennkraftmaschine vermieden wird. Jedoch könnte für den weitaus häufiger auftretenden Teillastbereich der Brennkraftmaschine, also bei geringer Zylinderfüllung, das Verdichtungsverhältnis mit höheren Werten gewählt werden, ohne dass ein „Klopfen" auftreten würde. Der wichtige Teillastbereich einer Brennkraftmaschine kann verbessert werden, wenn das Verdichtungsverhältnis variabel einstellbar ist. Zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses sind beispielsweise Systeme mit variabler Pleuellänge bekannt.
Aus der DE 10 2005 055 199 A1 ist ein Pleuel bekannt, bei dem im kleinen Pleuelauge ein schwenkbarer Hebel eingesetzt ist, in dessen zentraler Öffnung ein Exzenter eingesetzt ist. Der Exzenter dient zur Aufnahme eines Kolbenbolzens. Der Hebel bildet mit dem Exzenter eine Welle-Nabe-Verbindung. Da die Verbindung im Betrieb des Pleuels hoch belastet wird, sind die Anforderungen an die Fertigungstoleranzen der Verbindungspartner hoch. Die am oberen Pleuellagerauge gelagerten Stützstangen sind mit einem Kugelgelenk in Kugelkopfaufnahmen gelagert und dort mit Querbolzen verschraubt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein hochbelastbares Kugelgelenk mit einem in einer Kugelkopfaufnahme gelagerten Kugel köpf zu schaffen, das einfach zu montieren ist und hoch belastbar ist und Fertigungstoleranzen zulässt.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Pleuel mit einem solchen Kugelgelenk anzugeben.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird ein Kugelgelenk mit einem an einer Stützstange angeordneten Kugelkopf vorgeschlagen, der in einer Kugelkopfaufnahme eines Kolbens gelagert ist, wobei der Kugelkopf an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme durch ein Sicherungselement gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert ist. Dabei liegt das Sicherungselement in einem eingebauten Zustand ringförmig am Kugelkopf mit Berührungspunkten entlang der ringförmigen Anlage und an einer Nut der Kugelkopfaufnahme an, deren Nutwandung sich in einem in einer zur Stützstange entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel zu einer Längsachse der Stützstange erstreckt, wobei eine Tangente im jeweiligen Berührungspunkt des Sicherungselements am Kugelkopf zur Längsachse einen Winkel bildet, welcher größer als der Winkel der Nutwandung ist.
Erfindungsgemäß ist der an der Stützstange angeordnete Kugelkopf in der Kugelkopfaufnahme eines Kolbens gelagert, welche ein formkomplementär zu dem Kugelkopf gewölbtes Bodenteil aufweisen kann, an das sich zu einer Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme hin in axialer Richtung ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum unmittelbar oder mittelbar anschließt. Durch diese Aufnahmeöffnung kann der Kugel köpf des Kolbens in bestimmungsgemäßer Weise in die Kugelkopfaufnahme eingeführt werden. Durch das Sicherungselement kann der Kugelkopf gegen ein Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme gesichert werden. Das Sicherungselement liegt dabei im eingebauten Zustand auf dem Umfang des Kugel köpf s entlang einer Linie als Folge einzelner oder kontinuierlich aufeinander folgender Berührungspunkte und an einer Nut der Kugelkopfaufnahme an. Als Sicherungselement kann dabei zweckmäßig ein gebogener Runddraht in Form eines Runddrahtsprengrings eingesetzt werden, der einseitig offen ausgebildet sein kann, um das Sicherungselement leicht in die Kugelkopfaufnahme einführen zu können. Das Sicherungselement kann günstig eingeclipst werden, wobei das Sicherungselement im eingebauten Zustand vorgespannt sein kann, so dass der Außendurchmesser im ausgebauten Zustand größer ist als im eingebauten Zustand.
Vorteilhaft kann sich die Nutwandung der Nut der Kugelkopfaufnahme in einem in einer zur Stützstange entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel zu einer Längsachse der Stützstange erstrecken. Dabei kann eine Tangente in einem Berührungspunkt des Kugel kopfs zur Längsachse einen Winkel bilden, welcher größer als der Winkel der Nutwandung ist. Solange diese Winkelbeziehung eingehalten wird und das Sicherungselement vorgespannt ist, kann sich das Sicherungselement so zwischen die Nut im Stützkolben und dem Kugelkopf der Stützstange legen und eventuelle Fertigungstoleranzen ausgleichen.
Durch Selbsthemmung kann sich das Sicherungselement nicht aus der Nut der Kugelkopfaufnahme herausbewegen, so dass die Verbindung von Stützstange und Kolben spielfrei ist. Das Sicherungselement kann nicht aufgeweitet werden, da es an der Nutwandung anliegt. Wenn der Kolben auf Druck belastet wird, wird das Sicherungselement sogar in die Nut weiter hineingezogen. Das Sicherungselement findet so automatisch seine Position und liegt mittig in der Nuthöhe.
Das erfindungsgemäße Kugelgelenk stellt somit eine kostengünstige Lösung zur Sicherung der Stützstange im Kolben dar, welche mit einem Sicherungselement als Normteil oder günstigen Sonderteils dargestellt werden kann. Neben einer Ausführung in Stahl sind auch Ausführungen in anderen Materialien wie Kunststoffen denkbar. Das Kugelgelenk kann so mit einer spielfreien Sicherung ausgebildet sein, die auch Fertigungstoleranzen ausgleicht. Bei eventuell auftretendem Verschleiß kann sich das Sicherungselement selbst nachstellen. Ein weiterer Vorteil stellt die platzsparende Lösung dar, so dass der Stützkolben mehr Material im Querschnitt aufweisen kann und so das Design robuster ausgeführt sein kann. Durch das Einclipsen des Sicherungselements als Runddraht ist eine einfache Montage möglich. Seine Selbsthemmung verhindert dabei ein Zurückrutschen des Sicherungselements.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Kugelkopfaufnahme ein formkomplementär zu dem Kugelkopf gewölbtes Bodenteil aufweisen, an das sich zur Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme hin in axialer Richtung ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum unmittelbar oder mittelbar anschließt. Durch das form komplementär zu dem Kugel kopf gewölbten Bodenteil ist der Kugel köpf so günstig in der Kugel kopfaufnahme gelagert, dass der Kugel köpf über einen gewissen Winkel frei um seine Achse geschwenkt werden kann. Die Ausbildung des trichterförmig geöffneten Raums, welcher sich an die Aufnahmeöffnung der Kugelkopfaufnahme anschließt, begünstigt ein Einführen des Kugel kopfs bei der Montage des Kolbens an die Stützstange.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Nut am Übergang zwischen dem formkomplementär gewölbten Bodenteil und dem trichterförmig geöffneten Raum oder im Bereich des wenigstens teilweise trichterförmig geöffneten Raums angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Nut vorteilhaft ausgebildet sein, so dass die Winkelbedingungen für eine sichere Positionierung des Sicherungselements eingehalten werden und das Sicherungselement über die Lebensdauer beim Betrieb des Kolbens seine Lage beibehält.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement mit Vorspannung gegen die Nutwandung gelegt sein. Dadurch ist gewährleistet, dass das Sicherungselement auf Grund der Selbsthemmung seine Position beibehält und eine spielfreie Verbindung zwischen Stützstange und Kolben erreicht wird. Außerdem wird dadurch die Montage des Kolbens an die Stützstange wesentlich erleichtert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement den Kugelkopf wenigstens teilweise auf einem Umfang umschließen. Das Sicherungselement kann zweckmäßig als Runddraht oder Runddrahtsprengnng mit einer Unterbrechung ausgebildet sein. Dadurch lässt sich die Montage des Kugel kopfs in der Kugelkopfaufnahme günstig gestalten. Dadurch, dass das Sicherungselement den Kugelkopf wenigstens teilweise umschließt, kann es seine Sicherungsfunktion gegen ein Herausgleiten des Kugel kopfs aus der Kugelkopfaufnahme vorteilhaft wahrnehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement auf seinem Umfang eine radial nach innen weisende Wölbung aufweisen. Durch die Wölbung kann sich das Sicherungselement günstig an die Rundung des Kugel kopfs anlegen. So kann vorteilhaft eine spielfreie Lagerung des Kugel kopfs in der Kugelkopfaufnahme sichergestellt werden. Das Sicherungselement wird so bei Zugbelastung des Kolbens gegen die Nutwandung gedrückt und bleibt in seiner Position.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Sicherungselement als gebogener Runddraht ausgebildet sein. Ein gebogener Runddraht stellt eine sehr kostengünstige Lösung für ein Sicherungselement dar. Außerdem kann er als Runddrahtsprengring als Normteil günstig bezogen werden. Auch ist eine Montage des Sicherungselements in der Kugelkopfaufnahme, insbesondere, wenn der Runddraht eine Unterbrechung aufweist, leicht möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Dicke des Sicherungselements wenigstens dem bestimmungsgemäßen Mindestabstand zwischen der Außenfläche des Kugelkopfs und der Nutwandung entsprechen. Bei dieser Dicke des Sicherungselements kann das Sicherungselement bei Druckbelastung des Kolbens vorteilhaft in seine Position gezogen werden und kann nicht aus der Nut herausgleiten. Trotzdem ist noch genügend Freiraum, dass der Kugelkopf mit der Stützstange sich gegen den Kolben günstig bewegen kann, um spielfrei arbeiten zu können, ohne übermäßigen Verschleiß aufzuweisen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Pleuel mit wenigstens einem Kugelgelenk vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk kann in einem solchen Pleuel, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit variabler Verdichtung, zur Verbindung von Stützstangen mit Kolben von hydraulischen Zylindern für eine Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge vorteilhaft eingesetzt werden. Damit kann ein sicherer und verschleißarmer Betrieb der hydraulischen Zylinder durch die sichere Verbindung zwischen Stützstangen und Kolben gewährleistet werden. Auch stellt das Kugelgelenk eine spielfreie Verbindung von Stützstangen und Kolben auf günstige Weise sicher.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Pleuel Mittel zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge aufweisen. Das Pleuel kann insbesondere eine Exzenter-Versteileinrichtung aufweisen, welche über einen Exzenterhebel eine Verstellung des Exzenters bewirken kann und so die effektive Pleuelstangenlänge in geeigneter Weise verstellen kann. Der Exzenterhebel lässt sich beispielweise günstig über hydraulische Zylinder, welche einen Kolben mit einer Stützstange aufweisen, verstellen. Das erfindungsgemäße Kugelgelenk stellt die sichere, verschleißarme und dennoch spielfreie Verbindung zwischen Stützstangen und Kolben des Zylinders sicher.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem solchen Pleuel vorgeschlagen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1 in längsgeschnittener Darstellung ein Pleuel mit zwei Kugelgelenken nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Stützstange mit einem Kolben und einem erfindungsgemäßen
Kugelgelenk;
Fig. 3 einen Schnitt durch die Stützstange gemäß Fig. 2; Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugelgelenks der Stützstange gemäß Fig. 3 und
Fig. 5 ein Sicherungselement in Form eines Sicherungselements des erfindungsgemäßen Kugelgelenks.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Das in Figur 1 dargestellte bekannte Pleuel 1 für eine Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis weist eine Exzenter-Versteileinrichtung 2 zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge 30 mit einem (nicht dargestellten) Exzenter auf, welcher mit einem ein- oder mehrteiligen Exzenterhebel 3 zusammenwirkt. Die effektive Pleuelstangenlänge 30 ist als Abstand der Mittelachse des Hublagerauges 34 des Pleuels 1 von der Mittelachse 32 einer Bohrung des Exzenters als Pleuellagerauge des Pleuels 1 definiert. Dabei ist ein Verstellweg der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 mittels eines Umschaltventils verstellbar, welches als mechanisches oder hydraulisches Ventil ausgebildet und in oder an einem Pleuelkörper 4 bzw. einem Pleueldeckel 5 angeordnet sein kann.
Eine Verdrehung der verstellbaren Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wird durch Einwirken von Massen- und Lastkräften des Verbrennungsmotors initiiert, die bei einem Arbeitstakt des Verbrennungsmotors auf die Exzenter-Verstelleinrichtung wirken. Während eines Arbeitstaktes verändern sich die Wirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte kontinuierlich. Die Drehbewegung oder Verstellbewegung wird durch einen oder mehrere mit Hydraulikflüssigkeit, insbesondere mit Motoröl, beaufschlagte, im Pleuel 1 integrierte Kolben 6, 7 unterstützt, bzw. die Kolben 6, 7 verhindern ein Rückstellen der Exzenter-Verstelleinrichtung 2 aufgrund variierender Kraftwirkungsrichtungen der auf die Exzenter-Verstelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte. Die Kolben 6, 7 sind mittels Stützstangen 8, 9 mit dem Exzenterhebel 3 wirkverbunden.
Figur 2 bis 4 zeigen eine Stützstange 10 mit einem erfindungsgemäßen Kugelgelenk
1 1 , welches beispielsweise in einem gemäß Figur 1 gezeigtem Pleuel Verwendung finden kann. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Stützstange 10. In Figur 3 ist ein Schnitt durch die Stützstange 10 dargestellt, während Figur 4 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Kugelgelenks 1 1 der Stützstange 10 zeigt.
Das Kugelgelenk 1 1 umfasst einen an der Stützstange 10 angeordneten Kugelkopf
12, der in einer Kugelkopfaufnahme 13 eines Kolbens 14 gelagert ist. Der Kugelkopf
12 ist an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme 13 durch ein Sicherungselement 15 gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme 13 gesichert.
Die Kugelkopfaufnahme 13 umfasst ein formkomplementär zu dem Kugelkopf 12 gewölbtes Bodenteil 16, das an die Außenkontur des Kugel kopfs 12 angepasst ist und auf dem der Kugelkopf 12 gleiten kann, um Verkippungen der Stützstange 10 zu ermöglichen. In axialer Richtung zur Aufnahmeöffnung 24 der Kugelkopfaufnahme
13 hin schließt sich ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum 23 unmittelbar an. Dadurch lässt sich der Kugelkopf 12 leicht in die Kugelkopfaufnahme 13 einführen und montieren. Eine Nut 17 ist am Übergang zwischen dem formkomplementär gewölbten Bodenteil 16 und dem trichterförmig geöffneten Raum 23 angeordnet.
Das Sicherungselement 15 liegt in einem eingebauten Zustand in der Nut 17 vorgespannt zwischen einem Berührungspunkt 18 am Kugel köpf 12 und der Nutwandung 19 der Kugelkopfaufnahme 13 an und umschließt den Kugelkopf 12 wenigstens teilweise auf einem Umfang. Dabei kann das Sicherungselement 15 eine Unterbrechung aufweisen, um es in der Kugelkopfaufnahme 13 montieren zu können. Das Sicherungselement 15 weist auf seinem Umfang eine radial nach innen weisende Wölbung 22 auf, so dass das Sicherungselement 15 die Außenfläche des Kugel kopfs 12 nur auf einer auf dem Umfang des Kugel kopfs 12 umlaufenden Linie als eine Folge einzelner Berührungspunkte 18 berührt. Die Wölbung 22 ist bei einer Ausbildung des Sicherungselements 15 als Ringdraht auf jeden Fall gegeben.
Ein Außendurchmesser des Sicherungselements 15 ist in einem ausgebauten Zustand größer als in einem eingebauten Zustand, so dass das Sicherungselement 15 eingeclipst werden kann und mit Vorspannung an der Nutwandung 19 anliegen kann.
Die Nutwandung 19 erstreckt sich in einem in einer zur Stützstange 10 entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel α zu einer Längsachse 20 der Stützstange 10, wobei eine Tangente 21 im Berührungspunkt 18 zur Längsachse 20 einen Winkel ß bildet, welcher größer als der Winkel α der Nutwandung 19 ist.
Eine Dicke des Sicherungselements 15 kann dabei wenigstens dem bestimmungsgemäßen Mindestabstand zwischen der Außenfläche des Kugel kopfs 12 und der Nutwandung 19 entsprechen.
Wie in Figur 5 dargestellt, kann das Sicherungselement 15 beispielsweise in einfacher Weise als gebogener Runddraht (Runddrahtsprengring) mit einer Unterbrechung ausgebildet sein. Es können damit Normteile oder auch kostengünstige Sonderteile eingesetzt werden. Als Material für das Sicherungselement 15 kommen neben Stahl beispielsweise auch Kunststoff bzw. andere Werkstoffe in Frage. Das Sicherungselement 15 kann durch Einclipsen einfach montiert werden, wobei die Selbsthemmung ein Zurückrutschen verhindert. Durch die Unterbrechung des Rings kann das Sicherungselement 15 zusammengedrückt und durch die Aufnahmeöffnung 24 in den trichterförmigen Raum 23 der Kugelkopfaufnahme 13 eingeführt werden und sich auf Grund der Eigenspannung an die Nutwandung 19 der Nut 17 anlegen, so dass es unter Vorspannung in seiner Position bleibt. Solange das Sicherungselement 15 vorgespannt ist und der Winkel α < ß ist, legt sich das Sicherungselement 15 zwischen die Nut 17 im Kolben 14 und den Kugelkopf 12 der Stützstange 10 und gleicht Fertigungstoleranzen aus. Durch Selbsthemmung kann sich das Sicherungselement 15 nicht aus dem Kolben 14 bewegen. Es kann eine spielfreie Sicherung erzielt werden, welche zudem Fertigungstoleranzen ausgleichen kann. Durch die besonders platzsparende Sicherung weist der Kolben 14 im Querschnitt mehr Material als bei bekannten Kugelgelenken auf, wodurch die Verbindung insgesamt robuster ausgestaltet ist.
Das Kugelgelenk 1 1 kann vorteilhaft für die Lagerung der Stützstange 10 eines Pleuels 1 , wie in Figur 1 dargestellt, eingesetzt werden, welches beispielsweise in einer Brennkraftmaschine mit einstellbarem Verdichtungsverhältnis Anwendung findet, wobei das Pleuel 1 wie oben beschrieben Mittel zur Verstellung der effektiven Pleuellänge 30 aufweisen kann. Auch bei hoher Belastung ist der Kugelkopf 12 des Kugelgelenks 1 1 sicher in der Kugelkopfaufnahme 13 gehalten.

Claims

Ansprüche
1 . Kugelgelenk mit einem an einer Stützstange (10) angeordneten Kugelkopf
(12) , der in einer Kugelkopfaufnahme (13) eines Kolbens (14) gelagert ist, wobei der Kugel köpf (12) an seiner Außenfläche in der Kugelkopfaufnahme
(13) durch ein Sicherungselement (15) gegen Herausgleiten aus der Kugelkopfaufnahme (13) gesichert ist, wobei das Sicherungselement (15) in einem eingebauten Zustand ringförmig am Kugelkopf (12) mit Berührungspunkten (18) entlang der ringförmigen Anlage und an einer Nut (17) der Kugelkopfaufnahme (13) anliegt, deren Nutwandung (19) sich in einem in einer zur Stützstange (10) entgegengesetzten Richtung öffnenden Winkel (a) zu einer Längsachse (20) der Stützstange (10) erstreckt, wobei eine Tangente (21 ) im jeweiligen Berührungspunkt (18) des Sicherungselements (15) am Kugel köpf (12) zur Längsachse (20) einen Winkel (ß) bildet, welcher größer als der Winkel (a) der Nutwandung (19) ist.
2. Kugelgelenk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkopfaufnahme (13) ein formkomplementär zu dem Kugelkopf (12) gewölbtes Bodenteil (16) aufweist, an das sich zu einer Aufnahmeöffnung (24) der Kugelkopfaufnahme (13) hin in axialer Richtung ein wenigstens teilweise trichterförmig geöffneter Raum (23) unmittelbar oder mittelbar anschließt.
3. Kugelgelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (17) am Übergang zwischen dem formkomplementär gewölbten Bodenteil (16) und dem trichterförmig geöffneten Raum (23) oder im Bereich des wenigstens teilweise trichterförmig geöffneten Raums (23) angeordnet ist.
4. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (15) mit Vorspannung gegen die Nutwandung (19) gelegt ist.
5. Kugelgelenk einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (15) den Kugel köpf (12) wenigstens teilweise auf einem Umfang umschließt.
6. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (15) auf seinem Umfang eine radial nach innen weisende Wölbung (22) aufweist.
7. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (15) als gebogener Runddraht ausgebildet ist.
8. Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dicke des Sicherungselements (15) wenigstens dem bestimmungsgemäßen Mindestabstand zwischen der Außenfläche des Kugel kopfs (12) und der Nutwandung (19) entspricht.
9. Pleuel (1 ) mit wenigstens einem Kugelgelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Pleuel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel Mittel zur Verstellung einer effektiven Pleuelstangenlänge (30) aufweist.
1 1 . Brennkraftmaschine mit einem einstellbaren Verdichtungsverhältnis mit wenigstens einem Pleuel nach Anspruch 9 oder 10.
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