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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.
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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 Bolo-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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf vier Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 in
einer Schnittansicht einen erfindungsgemäßen Kolben,
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2 in
einer Vorderansicht eine erfindungsgemäß gestaltete
Nabenbohrung,
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3 die
Nabenbohrung gemäß 2 in einer
Schnittansicht 3-3,
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4 die
Nabenbohrung gemäß 2 in einer
Schnittansicht 4-4.
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Die 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.
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Die 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 α1 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.
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Die 3 zeigt
das Bohrungsprofil 14 der Nabenbohrung 10 in einer
Ansicht gemäß der Schnittlinie 3-3 von 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.
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Die 4 zeigt
das Bohrungsprofil 14 der Nabenbohrung 10 in einer
Ansicht gemäß einer Schnittlinie 4-4 gemäß der 2. Übereinstimmend mit
der 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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4431990
A [0003]
- - DE 1650206 A1 [0003]
- - DE 10222463 A1 [0003]
