DE19509156A1 - Verbindungsstange zwischen Kolben und Hubtriebwerk einer Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine mit hypozykloidischem Hubtriebwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung geht gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruches 1 von der DE-A 23 50 470 aus.

Diese Dokument zeigt und beschreibt eine Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine mit einem hypozykloidischem Hubtriebwerk zur geradlinigen Führung einer aus einem Kolben und einer Verbindungs- bzw. Kolben-Stange gebildeten Einheit. Die Kolben- bzw. Verbindungs-Stange weist eine in Längs­ richtung gerichtete Ausnehmung auf, in der ein mit ge­ ringerem Außendurchmesser angeordnetes Rohr triebwerk­ seitig zugeführtes Schmieröl in eine Kühlmittelkammer im Kolben befördert, wobei das Schmieröl aus dem Kolben über den freien Querschnitt der Ausnehmung in Richtung Hub­ triebwerk abgeführt ist. Das dem Kolben als Kühlmittel zugeführte und aus dem Kolben höher temperiert über die Ausnehmung abfließende Schmieröl gibt einen Teil seiner Wärme an die Verbindungs- bzw. Kolben-Stange ab, über de­ ren freie Bauteil-Oberfläche eine weitere Wärmeabfuhr er­ folgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit einem Kolben in wärmeleitender Verbindung stehende Verbindungs- bzw. Kolben-Stange so zu gestalten, daß eine gesteigerte Wärmeabfuhr erzielt ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 dadurch ge­ löst, daß zusätzliche Wärmetauschflächen an der Verbin­ dungs-Stange vorgesehen sind. Die Erfindung ist in vor­ teilhafter Weise auf besonders einfache Art dadurch wei­ tergebildet, daß die zusätzlichen Wärmetauschflächen mit­ tels einer vergrößerten Bauteil-Oberfläche der Verbin­ dungs-Stange erzielt sind.

Diese vorteilhaft einfache Weiterbildung ist in über­ raschend einfacher Weise dadurch verwirklicht, daß die Verbindungs-Stange in ihrem Bereich zwischen einem trieb­ werkseitigen Lagerauge und dem Kolben als Flachkant von relativ geringer Wandstärke gestaltet ist, wobei eine Vergrößerung der Bauteil-Oberfläche im wesentlichen über eine dem Durchmesser des Kolbens angenäherte Höhe des in der Ebene des Lagerauges angeordneten Flachkants erzielt ist. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist eine in der Herstellung einfache Verbindungs-Stange von hoher Festigkeit und geringem Platzbedarf im Bereich des jeweiligen Hubtriebwerkes.

Die vorbeschriebene erfindungsgemäße Gestaltung der Ver­ bindungs-Stange ermöglicht in weiterer vorteilhafter Weise, daß in dem Bereich zwischen Lagerauge und Kolben Vertiefungen oder Durchbrechungen zur Erzielung weiterer Wärmetauschflächen mittels Oberflächen-Vergrößerung ange­ ordnet sind. Mit den Vertiefungen sind in einfacher Weise Kühlrippen erzielt, die bei in der Verbindungs-Stange vorgesehenen Durchbrechungen zu Kühlstäben erweiterbar sind.

Für eine Verbindung-Stange einer Hubkolbenmaschine mit diametral angeordneten Zylindern in Boxer-Bauart wird zur verbesserten Wärmeabfuhr vorgeschlagen, daß beiderseits des Lagerauges angeordnete Stangenabschnitte der Ver­ bindungs-Stange jeweils eine Kolben tragen und in jedem Kolben angeordnete Kühlmittelkammern mit in äußeren Stre­ ben der Stangenabschnitte angeordneten Zu- und Ablauf- Kanälen in Verbindung stehen, wobei lediglich die Zu­ laufkanäle über das Lagerauge mit dessen Schmierölver­ sorgung in kühlmittelführender Verbindung stehen und die Ablaufkanäle frei in das Hubtriebwerk münden. Erreicht ist damit ein Umlauf des Schmieröles in einer aus Kolben und Verbindungs-Stange bestehenden Einheit als Kühl­ mittel, wobei die frei mündenden Ablaufkanäle das Schmieröl weiteren Schmierstellen zuführen können.

Eine derartige Schmieröl-Zuführung kann vorteilhafter­ weise bei einer gemäß der deutschen Patentanmeldung 195 04 891.1 vorgeschlagenen Verbindungs-Stange Anwendung finden. Diese Verbindungs-Stange umfaßt ein gesondertes Lagerauge, an dem einzeln ausgebildete Stangenabschnitte über zur Achse der Durchbrechung des Lagerauges konzen­ trische, zug- und druckseitig angeordnete Führungsflächen mit korrespondierenden Einrichtungen am Lagerauge winkel­ beweglich gegen elastischen Widerstand angeordnet sind, wobei die Ablaufkanäle in der winkelbeweglichen Gleitver­ bindung zwischen den druckseitigen Führungsflächen der Stangenabschnitte und dem jeweiligen Außenumfangsbereich eines Lagerringes des einen Bund-Lagerring umfassenden Lagerauges münden. Mit dieser Ausgestaltung erübrigen sich zusätzliche Maßnahmen zur gesicherten Schmierung in den Gleitgelenken der mittig knickbaren Verbindungs­ stange.

Weiter ist die Wärmeableitung aus den Kolben auch dadurch verbessert, daß diese mit dem jeweiligen Stangenabschnitt einstückig verbunden sind. Diese Ausgestaltung ist beson­ ders vorteilhaft bei hohen spezifischen Belastungen des Kolbens, insbesondere bei einer aus Leichtmetall gefer­ tigten Kolben-Verbindungs-Stangen-Einheit.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbindungs- Stange ist der verringerte Wärmeanfall im Lagerauge, wo­ durch ein relativ kleines Lagerspiel über den gesamten Betriebsbereich erreicht ist.

Für eine zusätzlich gesteigerte Wärmeabfuhr weist die Verbindungs-Stange in einem mit Kühlrippen versehenen Be­ reich zwischen beabstandeten Kühlrippenanordnungen eine zusätzliche Kühlmittelkammer auf, die ggf. mit der be­ nachbarten Kolben-Kühlmittelkammer und/oder mit dem zuge­ hörigen Ablaufkanal in Verbindung steht. Diese zusätzli­ che Kühlmittelkammer der Verbindungs-Stange kann auch für sich abgeschlossen gestaltet sein zur Aufnahme eines ab einer vorbestimmten Temperatur schmelzflüssig werdenden Materials, wie z. B. Natrium.

Weiter kann diese Kühlmittelkammer flachkantseitig mit­ tels einer gesonderten, Wärmetauschflächen aufweisenden Abdeckung begrenzt sein, die ggf. gegenüber der Ver­ bindungs-Stange aus einem anderen Material höherer Wärme­ leitfähigkeit gebildet ist.

Schließlich können anstelle einer Kühlmittelkammer in der Verbindungs-Stange quer zu Kühlrippen verlaufende Kanäle angeordnet sein, die mit einem triebwerkseitig mit Schmieröl als Kühlmittel versorgtem Zulaufkanal und einem Ablaufkanal in Verbindung stehen, und ggf. dem Wärme­ anfall entsprechend im Querschnitt gewählt sind.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine gemäß der deutschen Patentanmeldung 195 04 891.1 mittig gegen elastischen Wider­ stand knickbar gestaltete Verbindungs-Stange mit zusätzlichen Wärmetauschflächen,

Fig. 2 eine erste Ausgestaltung der Verbindungs­ stange nach Fig. 1 mit Kühlrippen und Kühl­ mittel-Versorgungskanälen, und

Fig. 3 weitere Ausgestaltungen der Verbindungs-Stange nach Fig. 1 mit einer zusätzlichen Kühl­ mittelkammer oder zusätzlichen Kühlkanälen, jeweils im verrippten Bereich eines Stangen­ abschnittes angeordnet.

Eine Verbindungs-Stange 1 zwischen Kolben 2, 2′ in dia­ metral nach Boxer-Bauart angeordneten Zylindern einer nicht gezeigten Hubkolben-Brennkraftmaschine verbindet die Kolben 2, 2′ mit einem vorzugsweise hypozykloidischen Hubtriebwerk, das eine Kurbelwelle mit einem auf dem Hub­ zapfen drehbeweglich angeordneten Exzenter-Paar umfaßt. Die Verbindungs-Stange 1 mit den Kolben 2, 2′ ist gemäß Pfeil "A" quer zur Kurbelwellen-Drehachse 3 durch das nicht gezeigte Hubtriebwerk oszillierend geradgeführt, wobei von dem o.g. Exzenter-Paar auf dem Hubzapfen der umlaufenden Kurbelwelle ein Hub-Exzenter in eine Durch­ brechung 4 der Verbindungs-Stange drehbeweglich ein­ greift.

Die um die Achse der Durchbrechung 4 gegen elastischen Widerstand knickbar ausgebildete Verbindungs-Stange ist, wie in der deutschen Patentanmeldung 195 04 391.1 näher beschrieben, aus den Stangenabschnitten 5, 5′ und einem gesonderten Lagerauge 6 mit der Lager-Durchbrechung 4 ge­ bildet. Das gesonderte Lagerauge 6 umfaßt einen Bund-La­ gerring 7 und einen im freien Außenumfangsbereich des La­ gerringes 7′ zentrierten Ringflansch 8. Mit dem Außen­ umfang des Lagerringes 7′ stehen die Stangenabschnitte 5, 5′ über in Anschlußbögen 9, 9′ angeordnete Führungs­ flächen 10, 10′ in gleitbeweglicher Verbindung (Fig. 2).

Weiter wirken am Bund 7′′ des Bund-Lagerringes 7 sowie am Ringflansch 8 quer zur Achse der Lager-Durchbrechung 4 konzentrisch angeordnete Anschläge 11 mit an den An­ schlußbögen 9, 9′ der Stangenabschnitte 5, 5′ angeordne­ ten Führungsflächen 12 zusammen.

Zur winkelbeweglichen Verbindung der Stangenabschnitte 5, 5′ relativ zum Lagerauge 6 ist in den Anschlußbögen 9, 9′ der Stangenabschnitte 5, 5′ jeweils eine Durchbrechung 13 vorgesehen zur Aufnahme einer nicht gezeigten Buchse aus elastischem Material, die für einen sie durchsetzenden Schraubbolzen 14 der Verschraubung der Verbindungs-Stange 1 als elastischer Winkelanschlag dient.

Die Verbindungs-Stange 1 weist zur besseren Wärme­ ableitung aus den Kolben 2, 2′ mit diesen einstückig ver­ bundene Stangenabschnitte 5, 5′ auf. Aus diesen erfolgt die Wärmeabfuhr über die üblichen Bauteil-Oberflächen 15, 15′, die erfindungsgemäß um zusätzliche Wärmetausch­ flächen 16 an der Verbindungsstange 1 vermehrt sind. Diese sind vorzugsweise mittels einer Vergrößerung der Bauteil-Oberflächen 15, 15′ erzielt.

Die Vergrößerung der Bauteil-Oberflächen 15, 15′ erfolgt in zwei Schritten. In einem ersten Schritt ist die Ver­ bindungs-Stange 1 in Bereichen 17, 17′ der Stangen­ abschnitte 5, 5′ zwischen dem triebwerkseitigen Lagerauge 6 und dem jeweiligen Kolben 2, 2′ als Flachkant 18 von relativ geringer Stärke "s" gestaltet, wobei die Ver­ größerung der Bauteil-Oberflächen 15, 15′ im wesentlichen über eine dem Durchmesser "d" des jeweiligen Kolbens 2, 2′ angenäherte Höhe "h" des in der Ebene des Lagerauges 6 angeordneten Flachkants 18 erzielt ist.

In einem zweiten Schritt sind in jedem Bereich 17, 17′ der Stangenabschnitte 5, 5′ schlitzartige Vertiefungen 19 angeordnet zur Ausbildung der weiteren Wärmetauschflächen 16, die erfindungsgemäß durch Vergrößerung der Bauteil- Oberflächen 15, 15′ erzielt sind.

Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, ist in jedem Kolben 2, 2′ eine Kühlmittelkammer 20, 20′ angeordnet, die mit in äußeren Streben 21, 21′ der Stangenabschnitte 5, 5′ angeordneten Zulaufkanälen 22, 22′ und Ablauf­ kanälen 23, 23′ in Verbindung stehen. Jeder Zulaufkanal 22, 22′ steht über eine Durchbrechung 24 im Lagerauge 6 mit dessen Schmierölversorgung in kühlmittelführender Verbindung.

Jeder Ablaufkanal 23, 23′ mündet jeweils in der winkel­ beweglichen Gleitverbindung eines Stangenabschnittes 5, 5′ mit dem Lagerauge 6 und zwar zwischen den drucksei­ tigen Führungsflächen 10, 10′ der Stangenabschnitte 5, 5′ und dem jeweiligen Außenumfangsbereich des Lagerringes 7′ des den Bund-Lagerring 7 umfassenden Lagerauges 6. Damit erübrigen sich hierfür gesonderte Schmiereinrichtungen.

Mittels der inneren Kühlung der Kolben 2, 2′ durch Schmieröl sowie dessen Zu- und Ableitung über die mit zu­ sätzlichen Wärmetauschflächen 16 an Kühlrippen 25 ver­ sehenen Stangenabschnitte 5, 5′ ist eine wirksame Kühlung der Kolben 2, 2′ über die Verbindungs-Stange 1 mit ihren Stangenabschnitten 5, 5′ erzielt. Damit können die Kolben 2, 2′ spezifisch hochbelastet werden. Weiter ist die Wär­ mezufuhr zum Lagerauge 6 reduziert mit dem Vorteil der Beibehaltung eines kleinen Lagerspiels.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Ver­ bindungs-Stange 1 gemäß Fig. 3 in einem mit Kühlrippen 25 versehenen Bereich 17′ zwischen beabstandeten Kühl­ rippenanordnungen 26, 26′ eine zusätzliche Kühlmittel­ kammer 27 aufweisen. Diese steht vorzugsweise mit der be­ nachbarten Kühlmittelkammer 20′ im Kolben 2′ über deren Ablaufkanal 23′ in Verbindung.

Diese Kühlmittelkammer 27 kann aus Herstellgründen flach­ kantseitig mittels gesonderter, Wärmetauschflächen auf­ weisender Abdeckungen begrenzt sein, wobei diese Ab­ deckungen ggf. aus einem Material hoher Wärmeleitfähig­ keit gebildet sein können.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Verbindungs-Stange 1 gemäß Fig. 3 in einer mit Kühl­ rippen 25 versehenen Bereich 17 quer zu den Kühlrippen 25 verlaufende Kanäle 28 aufweisen, die vorteilhafterweise mit dem Zulaufkanal 22 und dem Ablaufkanal 23 der Kühl­ mittelkammer 20 im Kolben 2 in Verbindung stehen. Die Kanäle 28 können dem Wärmeanfall entsprechend im Quer­ schnitt gewählt sein.

Im Rahmen der Erfindung können sowohl die Kühlmittel­ kammer 27 als auch die Kanäle 28 in der Verbindungs- Stange 1 bei fehlenden Kühlmittelkammern 20, 20′ in den Kolben 2, 2′ vorgesehen sein.

Claims (11)

1. Verbindungs-Stange zwischen Kolben und Hubtriebwerk einer Hubkolbenmaschine, insbesondere Brennkraft­ maschine mit hypozykloidischem Hubtriebwerk,

• - die in einer Ausnehmung (22, 22′; 23, 23′) ein Kühlmittel führt, und
• - über deren freie Bauteil-Oberfläche (15, 15′) eine Wärmeabfuhr gegeben ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zusätzliche Wärmetauschflächen (16) an der Verbindungs-Stange (1) vorgesehen sind.

2. Verbindungs-Stange nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzlichen Wärmetauschflächen (16) mittels einer vergrößerten Bauteil-Oberfläche (15, 15′) der Verbindungs-Stange (1) erzielt sind.

3. Verbindungs-Stange nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß diese in einem Bereich (17, 17′) zwischen einem triebwerkseitigen Lagerauge (6) und dem Kolben (2, 2′) als Flachkant (18) von relativ geringer Wandstärke (s) gestaltet ist, wobei
• - eine Vergrößerung der Bauteil-Oberfläche (15, 15′) im wesentlichen über eine dem Durchmesser (d) des Kolbens (2, 2′) angenäherte Höhe (h) des in der Ebene des Lagerauges (6) angeordne­ ten Flachkants (18) erzielt ist.

4. Verbindungs-Stange nach den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in dem Bereich (17, 17′) zwischen Lagerauge (6) und Kolben (2, 2′) Ver­ tiefungen (19) oder Durchbrechungen zur Erzielung weiterer Wärmetauschflächen (16) mittels Ober­ flächen-Vergrößerung angeordnet sind.

5. Verbindungs-Stange nach den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß beiderseits des Lagerauges (6) angeordnete Stangenabschnitte (5, 5′) jeweils eine Kolben (2, 2′) tragen, und
• - in jedem Kolben (2, 2′) angeordnete Kühl­ mittelkammern (20, 20′) mit in äußeren Streben (21, 21′) der Stangenabschnitte (5, 5′) ange­ ordneten Zu- und Ablaufkanälen (22, 22′; 23, 23′) in Verbindung stehen, wobei
• - lediglich die Zulaufkanäle (22, 22′) über das Lagerauge (6) mit dessen Schmierölversorgung in kühlmittelführender Verbindung stehen und die Ablaufkanäle (23, 23′) frei in das Hub­ triebwerk münden.

6. Verbindungs-Stange nach den Ansprüchen 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß ein gesondertes Lagerauge (6) vorgesehen ist, an
• - dem einzeln ausgebildete Stangenabschnitte (5, 5′) über zur Achse der Durchbrechung (4) des Lagerauges (6) konzentrische, zug- und druck­ seitig angeordnete Führungsflächen (10, 10′; 12, 12′) mit korrespondierenden Einrichtungen am Lagerauge (6) winkelbeweglich gegen elasti­ schen Widerstand angeordnet sind, wobei
• - die Ablaufkanäle (23, 23′) in der winkel­ beweglichen Gleitverbindung zwischen den druckseitigen Führungsflächen (10, 10′) der Stangenabschnitte (5, 5′) und dem jeweiligen Außenumfangsbereich eines Lagerringes (7′) des einen Bund-Lagerring (7) umfassenden Lager­ auges (6) münden.

7. Verbindungs-Stange nach den Ansprüchen 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß deren Stangenabschnitte (5, 5′) mit dem jeweiligen Kolben (2, 2′) ein­ stückig ausgebildet sind.

8. Verbindungs-Stange nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß in einem mit Kühlrippen (25) versehenen Bereich (17′) die Verbindungs-Stange (1) zwi­ schen beabstandeten Kühlrippenanordnungen (26, 26′) eine zusätzliche Kühlmittelkammer (27) aufweist, die
• - ggf. mit der benachbarten Kolben-Kühlmittel­ kammer (20, 20′) und/oder mit dem zugehörigen Ablaufkanal (23, 23′) in Verbindung steht.

9. Verbindungs-Stange nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die zusätzliche Kühlmittelkammer (27) flachkantseitig mittels einer gesonderten, Wärmetauschflächen aufweisenden Abdeckung be­ grenzt ist, die
• - ggf. aus einem Material höherer Wärmeleit­ fähigkeit gebildet ist.

10. Verbindungs-Stange nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4 oder 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß in einem mit Kühlrippen (25) versehenen Bereich (17, 17′) in der Verbindungs-Stange (1) quer zu den Kühlrippen (25) verlaufende Kanäle (28) angeordnet sind, die
• - mit einem triebwerkseitig mit Schmieröl als Kühlmittel versorgten Zulaufkanal (22, 22′) und einem Ablaufkanal (23, 23′) in Verbindung stehen, und
• - ggf. dem Wärmeanfall entsprechend im Quer­ schnitt gewählt sind.