DE2203847B2

DE2203847B2 - Kolben für eine Brennkraftmaschine oder einen Kompressor

Info

Publication number: DE2203847B2
Application number: DE2203847A
Authority: DE
Inventors: David Francis The Dell New Milton Hampshire Fletcher-Jones; Harold Taylor Eastwood Sway Hill
Original assignee: Wellworthy Ltd
Current assignee: Wellworthy Ltd
Priority date: 1971-02-09
Filing date: 1972-01-27
Publication date: 1981-04-09
Also published as: US3745889A; IT950589B; FR2126711A5; GB1362262A; DE2203847A1; JPS5147809B1

Description

Die Erfindung bezieht steh auf einen Kolben der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Ein solcher Kolben für eine Brennkraftmaschine ist aus der GB-PS 8 51 322 bekannt Hierbei sind auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Kolbenbolzenwandung je eine mondsichelförmige Ausnehmung derart angeordnet, daß sich eine im Querschnitt im wesentlichen elliptische Kolbenbolzenbohrung ergibt wobei die große Hauptachse der Ellipse die Kolbenbolzenachse einschließt und senkrecht zur Kolbenachse verläuft Hierdurch soll erreicht werden, daß sich der Kolbenbolzen der sich unter den in Richtung der Kolbenachse wirkenden Kompressionsbelastungen periodisch elliptisch verformt, in diese elliptischen Ausnehmungen hinein deformieren kann, ohne eine Querkraft auf die Kolbenbolzenaugen auszuüben, die so bei kreiszylindrischer Gestalt der Kolbenbolzenbohrung zu einer Rissebildung und sogar zum Bruch führen kann. Durch diese Ausbildung werden jene Kräfte berücksichtigt, die in Kolbenlängsrichtung verlaufend sich symmetrisch zur Kolbenachse aufspalten.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Rißbildung nicht symmetrisch zu der die Kolbenachse und die Kolbenbolzenachse einschließenden Ebene erfolgt, sondern der Einsatz der Rißbildung einseitig einsetzt

Der Erfindung Hegt die Erkenntnis zugrunde, daß der &o Einsatz der Rißbildung nicht durch zufällige Werkstoffeigenschaften bedingt oder daß der Beginn der Rißbildung einmal auf dieser und einmal auf jener Seite der genannten Ebene einsetzt, sondern stets auf einer Seite, die bezüglich der Drehrichtung der Kurbelwelle definiert ist, auf die die am Kolbenbolzen ansetzende Pleuelstange einwirkt.

Der Erfindung liegt daher weiter die Erkenntnis

zugrunde, daß durch die Drehung der Kurbelwelle und die seitlich hin und hergehende Bewegung der Pleuelstange unsymmetrische Krlfte eingeführt werden, wpbei die seitlichen Kräfte wahrend des Expansionshube? naturgemäß höher sind als die seitlichen Kräfte während des Kompressionshubes, sofern es sich um eine Brennkraftmaschine- handelt Bei einem Kompressor sind demgegenüber die seitlichen Kräfte während des Kompressionshubes höher -als während der Rückbewegung.

Es ergeben sich daher auf den beiden Seiten jener Ebene; die durch Kolbenbolzenachse und Kolbenachse definiert ist unterschiedliche Seitendruckverhältnisse, d. h. es ergibt sich eine Druckseite, die bezüglich der .Drehrichtung vor der genannten Ebene Hegt und eine ,Gegendruckseite, die bezüglich der Drehrichtung hinten liegt und demgemäß vom Druck entlastet ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese einseitig wirkenden Kräfte zu berücksichtige;! und die einseitig einsetzende Rissebildung zu verhindern.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungslei! des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß die Ausnehmung nur auf der Gegendruckseite vorgesehen ist ergibt sich eine bessere Passung des Kolbenbolzens in der Bohrung, was wiederum der Lebensdauer zugute kommt

Es hat sich gezeigt daß besonders günstige Ergebnisse dann erlangt werden können, wenn die Anordnung der einzigen Ausnehmung gemäß Anspruch 2 bzw. 3 gewählt wird.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 4.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Axialschnitt eines Kolbens einer Brennkraftmaschine;

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß F i g. 1;

Fig.3 einen der Fig.2 ähnlichen Schnitt einer weiteren Ausführungsform eines Kolbens mit abgewandelter Form der Kolbenbolzenbohrung.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Kolben weist eine Kolbenkrone 10 mit einer Kolbenoberfläche 12 und einen zylindrischen Kolbenmantel 16 auf, der von der Kolbenkrone 10 vorsteht Die zylindrische Oberfläche der Kolbenkrone 10 weist mehrere Ringnuten 14 zum Einsatz von Kolbenringen auf.

Ferner weist die Kolbenkrone 10 zwei diametral gegenüberliegende Kolbenbolzenaugen 18 auf. Kolbenkrone, Kolbenmantel 16 und Kolbenbolzenaugen 18 sind in herkömmlicher Weise einteilig aus Aluminium <y\er einer Aluminiumlegierung gegossen.

Jedes Kolbenbolzenauge 18 weist eine Kolbenbolzenbohrung 20 auf, die koaxial aufeinander ausgerichtet sind. Die Achse 21 der Kolbenbolzenbohrung 20 schneidet die Kolbenachse 22.

Der Kolben ist im Zylinder (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine (oder eines Kompressors) hin* und hergehend gelagert und mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Motors über einen zylindrischen Kolbenbolzen 23 und eine nicht-dargestellte Pleuelstange verbunden. Der Kolbenbolzen 23 wird von der Kolbenbolzenbohrung 20 gelagert, und das obere Ende der Pleuelstange greift um den Kolbenbolzen 23 zwischen den Kolbenbolzenlageraugen 18. Das untere Ende der Pleuelstange ist auf einem exzentrischen Kurbelzapfen der Kurbelwelle gelagert.

Wenn das Brennstpfftoftgemjsch in dem Zylinderraum Ober deni Kolben gebondet wird und die Verbrennung stattfindet, dann wird der Kolben in Richtung seiner Achse 22 nach unten verschoben, und er wird infolgedessen einer hohen Kompressivlast längs der Achse 22 unterworfen, Unter der Annahme, daß der in Fig. 1 dargestellte Kolben seine Kurbelwelle, deren Achse senkrecht zur Zeichenebene nach Fig, I verläuft, im Uhrzeigersinn antreibt, dann bildet die linke Seite 24 des Mantels 16 gemäß Fig. 1 die Druckseite, während die rechte Seite 25 die Gegendruckseite ist

Die Kompressivlatät des Kolbens wird fiber die Kolbenbolzenaugen 18 auf den Kolbenbolzen 23 übertragen, der seinerseits eine querverlaufende Last, d. h. senkrecht zu den Achsen 21 und 22 auf die Wände der Kolbenbolzeribohrung 20 überträgt Diese querverlaufende Last erzeugt eine Verzerrung der Kolbenbolzenaugen -18 und des Kolbenbolzens 23. Die Verzerrung ist insbesondere vorherrschend bei leichten hohlen Kolbenbolzen, wie diese in der Zeichnung dargestellt sind, da diese die Neigung haben, unter der Kompressivlast in eine elliptische Form überzugehen. Außerdem übt die Wandung des Zylinders eine beträchtliche ,Kraft auf die Druckseite 24 des Mantels 16 aus, und diese Kraft wird ebenfalls auf den Kolbenbolzen 23 übertragen. Die Hauptachse der elliptischen bzw. ovalen Gestalt, die der Kolbenbolzen unter Belastung annimmt kann daher etwas gegenüber einer senkrecht zur Kolbenachse 22 und zur Achse 21 der Kolbenbolzenbohrung 20 geneigt sein, wobei die Neigung nach oben von links nach rechts gemäß F i g. 1 verläuft

Um eine Überbeanspruchung der Wände der Kolbenbolzenbohrung 20 zu vermeiden, ist eine Ausnehmung 26 auf nur einer Seite einer Ebene, die die Achse 21 der Kolbenbolzenbohrung 20 enthält und 3a parallel zur Kolbenachse 22 verläuft vorgesehen. Diese Ausnehmung schafft einen Raum für die Hauptachse des in die ovale Gestalt übergehenden Kolbenbolzen, und es wird dadurch die Tendenz des Kolbens vermindert oberhalb der Kolbenbolzenbohrung nach der Kolbenkrone 10 des Kolbens zu reißen.

Bei der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform liegt die Ausnehmung 26 der Gegendruckseite 25 des Mantels 16 näher als der Druckseite 24 und erstreckt sich über einen Winkel von etwa 60°— 80°. Die Mittellinie der Ausnehmung 26 ist nach der Kolbenkrone 10 gegenüber der Kormalen zu den Achsen 21 und 22 um ungefähr 30" angestellt, so daß die Ausnehmung 5» näher der Oberseite der Kolbenbolzenbqhnwg liegt als dem Unterteil dieser Bohrung,

Das Ausmaß der Ausnehmung 26 ist in Richtung der Achse 22 der Kolbenbolzenbobrung 20 im wesentlichen konstant, wie aus F ig, 2 ersichtlich. Die Ausnehmung 26 kann mittels eines Fingerfräsers hergestellt werden, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 20, wobei dieser Fräser mit seiner Achse etwas versetzt zur Achse 21 angesetzt wird.

Die Kolbenbolzen zeigen außerdem die Neigung, sich etwas unter dem Einfluß der Last zu krümmen, die auf ihre Endabschnitte über die Lageransätze bzw, die entgegengesetzt gerichtete Kraft die im Mittelabschnitt über die Pleuelstange angreift aufgebracht wird.

Diese Krümmung beansprucht ebenfalls die Kolbenbolzenbohrung, wobei die Wirkung am größten in jenen Abschnitten der Bohrung ist die de? Kolbenachse am nächsten liegen.

Diese weitere Beanspruchung wird bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 vermindert. In F i g. 3 sind die den F i g, 1 und 2 entsprechenden Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen, an das ein »a« angehängt ist Es ist ersichtlich, daß die Tiefe der Ausnehmung 26a in den beiden Kolbenbolzenbohrungen 20a in jedem Kolbenbolzenauge 18a axial von außen nach der Achse 22a des Kolbens hin zunimmt Die Ausnehmung 26a kann von außen her mittels eines Fingerfräser hergestellt werden, der einen Durchmesser besitzt welcher etwas kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 20, und der in einem kleinen Winkel, im typischen Falle in einem Winkel von Γ gegenüber der Achse 21 a angestellt ist

Es hat sich gezeigt daß durch die Anordnung der Ausnehmung 26 oder 26a in der Wandung der Kolbenbolzenbohrung 20 bzw. 20a und zwar nur in einer Seite der Ebene, die die Achse der Bohrung enthält und parallel zur Kolbenachse verläuft die Risse erzeugenden Beanspruchungen wesentlich vermindert werden können, denen die Bohrung durch den Kolbenbolzen 23 oder 23a ausgesetzt ist Außerdem ist die Anordnung eine- Ausnehmung nur auf einer Seite dieser Ebene einfach und wirtschaftlicher herzustellen, als z. B. Segmentausnehmungen auf beiden Seiten der Ebene vorzusehen und zusätzlich wird eine bessere Lagerung des Kolbenbolzens unter zeitlichen Lastbedingungen erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

ι. Kolben für eine Brennkraftmaschine oder einen Kompressor mit einer die Kolbenoberfläche aufweisenden KolbenJcrone und einem zylindrischen s Kolbenmantel, der von der Kolbenkrone vorsteht und eine Druck- und eine diametral gegenüberliegende Gegendruckseite aufweist, und mit radial aufeinander ausgerichteten Kolbenbolzenaugen, die eine im wesentlichen zylindrische Bohrung zwischen der Druckseite und der Gegendruckseite aufweisen, wobei die Bohrungen zum Lagern eines zylindrischen Kolbenbolzens jeweils eine seitliche Ausnehmung aufweisen, die sich über einen Bogenabschnitt erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß is eine einzige Ausnehmung (26) auf der Gegendruckseite vorgesehen ist
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Ausnehmung im wesentlichen auf der der Kolbenkrone (10) zugewandten -Seite jener Ebew^verläuft, die sich durch die Kolbenbolzenachse (2?) normal zur Kolbenachse (22) erstreckt
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (26) der Wandung der Kolbenbolzenbohrung (20) über einen Winkel zwischen 60° und 80° verläuft
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmung (2Sa) axial von außen her nach der Kolbenachse (22a) hin zunimmt (Fig.3).