DE3243939A1 - Piston/piston rod bearing arrangement - Google Patents

Piston/piston rod bearing arrangement

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Abstract

The invention relates to a piston/piston rod bearing arrangement, the piston, gudgeon pin and connecting rod being made of ceramics. Situated between the piston and the gudgeon pin are elastic annular interlayers subjected to purely elastic loading, and a central, elastic annular interlayer is provided between the ceramic gudgeon pin boss and the gudgeon pin. The elastic interlayers, which can be designed as corrugated rings of known construction, have a damping function and, in particular eliminate the grave disadvantage of highly stressed ceramic components: impact and notch sensitivity, while all the advantages of ceramics are exploited. <IMAGE>

Description

Kolben-Pleuel-Lageranordnung Piston-connecting rod bearing arrangement

Die Erfindung betrifft eine Eolben-Pleuel-Lageranordnung mit einem den Kolben und das Pleuel verbindenden Kolben bolzen.The invention relates to an Eolben connecting rod bearing arrangement with a the piston bolts connecting the piston and the connecting rod.

Keramische Kolben und Kolbenbolzen für Kolbenmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren, haben gegenüber metallischen Kolben aus Bisen- und Leichtmetallegierungen -verschiedene Vorteile: im einzelnen sind dies die hohe Temperaturbelastbarkeit, die hohe Heißgaskorrosionsfestigkeit, die gute Isolationswirkung sowie die Verschleißfestigkeit von Keramik. Darüber hinaus neigt die Keramik praktisch nicht zum Kaltverschweißen ("Fressen") bei Schmiermittelmangel. Auch ist die Wärmedehnung im Vergleich zu Eisen oder Leichtmetall gering. Keramik besitzt auch gegenüber Stahl ein wesentlich niedrigeres spezifisches Gewicht und weist gegenüber Leichtmetallen einen vergleichsweise hohen Elastizitätsmodul auf.Ceramic pistons and piston pins for piston engines, in particular Internal combustion engines have, on the other hand, metallic pistons made from bison and light metal alloys -different advantages: in detail these are the high temperature resistance, the high resistance to hot gas corrosion, the good insulation effect and the wear resistance of ceramics. In addition, the ceramic has practically no tendency to cold weld ("Scuffing") if there is a lack of lubricant. Also the thermal expansion is compared to iron or light metal low. Ceramic also has a significantly lower rating than steel specific weight and has a comparatively high weight compared to light metals Modulus of elasticity.

Aufgrund dieser Vorteile wird deshalb angestrebt, Kolben und Kolbenbolzen aus hochfeste Keramiken in Verbrennungsmotoren zu realisieren. Gravierender Nachteil ist jedoch die große Schlag- und Kerbempfindlichkeit von Keramik.Because of these advantages, the aim is to have pistons and piston pins from high-strength ceramics in internal combustion engines. Serious disadvantage however, is the high impact and notch sensitivity of ceramics.

Die oszillierende Bewegung bei entsprechenden dynamischen Kräften in Verbindung mit Spieltoleranzen kann bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle zu unzulässigen Stoßbeanspruchungen und damit zum vollständigen Versagen der Keramikteile führen, trotz anscheinend ausreichender Festigkeit bei statischer Beanspruchung. Verstärkt wird das Problem speziell beim System Kolben-Kolbenbolzen-Pleuel durch Kantenpressungen und Steifigkeitssprünge am Übergang Kolbenbolzen, Kolbenaugen und Pleuelauge.The oscillating movement with corresponding dynamic forces in connection with backlash tolerances, the crankshaft can increase at higher speeds impermissible impact loads and thus complete failure of the ceramic parts despite apparently sufficient strength under static load. The problem is exacerbated by the piston-piston pin-connecting rod system in particular Edge pressure and changes in rigidity at the transition between the piston pin, piston boss and Connecting rod eye.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Kolben-Pleuel-Lageranordnung der eingangs genannten Art, die bei Ausnutzung der Vorteile von Eeramikbauteilen gleichzeitig nicht mit den Nachteilen der Keramiken behaftet ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine temperatur-, heißgaskorrosions- und Verschleißfeste Kolben-Pleuel-Lageranordnung einfachen Aufbaus und geringen Gewichts zu schaffen, die einen zuverlässigen störungsfreien Langzeitbetrieb einer Kolben-Xurbelwellenanordnung ermöglicht.The object of the invention is to create a piston-connecting rod bearing arrangement of the type mentioned at the outset, which takes advantage of the advantages of ceramic components at the same time does not suffer from the disadvantages of ceramics. In particular is It is the object of the invention to provide a temperature, hot gas corrosion and wear resistant To create piston-connecting rod bearing arrangement of simple construction and low weight, a reliable, trouble-free long-term operation of a piston / crankshaft assembly enables.

Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß die aus Keramik ausgebildeten Kolben und Kolbenbolzen einerseits sowie Kolbenbolzen und Pleuel andererseits über eine elastische ringförmige Zwischenlage miteinander elastisch verbunden sind.The object on which the invention is based is achieved in that the ceramic piston and piston pin on the one hand and piston pin and connecting rods, on the other hand, with one another via an elastic annular intermediate layer are elastically connected.

Insbesondere sind der Kolben und der Kolbenbolzen über zwei äußere elastische ringförmige Zwischenlagen sowie der Kolbenbolzen und das Pleuelauge über eine weitere mittlere elastische ringförmige Zwischen lage elastisch miteinander verbunden.In particular, the piston and the piston pin are outer over two elastic ring-shaped intermediate layers as well as the piston pin and the connecting rod eye over another middle elastic annular intermediate layer elastically with one another tied together.

Die mittlere elastische ringförmige Zwischenlage kann bevorzugt an das Pleuelauge angrenzen, und es kann zwischen der mittleren elastischen ringförmigen Zwischenlage und dem Kolbenbolzen eine Pleuellagerbüchse vorgesehen sein.The middle elastic annular intermediate layer can preferably on adjoin the connecting rod eye, and it can be annular between the middle elastic A connecting rod bearing bushing may be provided between the intermediate layer and the piston pin.

Bevorzugt sind die elastischen Zwischenlagen als Wellringe ausgejildet. Bekannte Ausführungsformen von Wellringen können hierbei Verwendung finden, beispielsweise Wellringe, wie sie für die Halterung von Wälzlagern verwendet werden.The elastic intermediate layers are preferably designed as corrugated rings. Known embodiments of corrugated rings can be used here, for example Corrugated rings, such as those used for holding roller bearings.

Die Wellringe können in vorteilhafter Weiterbildung.der Erfindung gleichkonfigurierte Hebungen und Senkungen aufweisen, die insbesondere in dicht auf einanderfolgender Anordnung längs des Umfangs des Wellrings ausgebildet sind.The corrugated rings can in an advantageous development of the invention have identically configured elevations and depressions, especially in dense are formed in a sequential arrangement along the circumference of the corrugated ring.

In alternativer Ausgestaltung können die elastischen Zwischenlagen aus gewebten elastischen Kissen ausgebildet sein, die aus metallischen Drähten aufgebaut sind. Die metallischen Drähte sind vorzugsweise vorgeformt, um die im Betrieb geaunschte Elastizität eines elastischen Kissens hervorzurufen.In an alternative embodiment, the elastic intermediate layers Be formed from woven elastic cushions made up of metallic wires are. The metallic wires are preferably preformed to the desired in operation To cause elasticity of an elastic cushion.

Das dynamische Laufverhalten der Lageranordnung bei sehr großer Drehzahl einer Kurbelwelle ist besonders dann sehr gut, wenn Kolben, Kolbenbolzen und Pleuel elastisch vorespannt miteinander verbunden sind.The dynamic running behavior of the bearing arrangement at very high speeds a crankshaft is particularly good when pistons, piston pins and connecting rods are connected to one another in an elastically pretensioned manner.

Die elastische Zwischenlage wird rein elastisch beansprucht. Insbesondere weist sie eine Federkonstante im Bereich von 104 bis 106 N/mm pro mm Kolbenbolzendurchmesser auf.The elastic intermediate layer is stressed in a purely elastic manner. In particular it has a spring constant in the range of 104 to 106 N / mm per mm of piston pin diameter on.

Durch die Erfindung wird mithin aufgabengemäß eine wirkungsvolle Kolben-Pleuel-Lageranordnung für eine an zu schließende Kurbelwelle geschaffen, die selbst bei größerer Drehzahl nicht zu einem vorzeitigen Versagen des Lagers führt. Das Lager besitzt eine gute Isolationswirkung, praktisch keine Neigung zum Kaltverschweißen bei Schmiermittelmangel, eine geringe Wärmedehnung und insbesondere eine große Elastizität bei Spielfreiheit der Gesamtanordnung. Insbesondere ergeben sich keine Kantenpressungen und Steifigkeitssprünge am Übergang Kolbenbolzen, Kolbenaugen -und Pleuelauge.The invention therefore provides an effective piston / connecting rod bearing arrangement in accordance with the object created for a crankshaft to be connected, even at higher speeds does not lead to premature failure of the bearing. The warehouse has a good one Insulation effect, practically no tendency to cold welding if there is a lack of lubricant, low thermal expansion and, in particular, high elasticity with no backlash the overall arrangement. In particular, there are no edge pressures and changes in stiffness at the transition between the piston pin, piston eye and connecting rod eye.

Zwar sind bei sich schnell drehenden Fluidfilm-Lagern von Hechgeschwindigkeitsrotoren (Turbokompressoren Turboladern, Turbinengasgeneratoren, etc.) elastische Folieneinlagen bekannt (US-PS 4 133 585), die elastischen Folien einlagen bestehen jedoch aus vielen Einzelteilen, wobei die radial äußerste elastische Folie Polygonalkonfiguration aufweist, um zu verhindern, daß sich im Betrieb der elastische Folieneinsatz sich mit dem drehenden Lagerteil mitdreht bzw. "mitwandert". Die Polygonalkonfiguration kann auch bekannterweise durch eine radial äußere Folie ersetzt sein, die Hebungen und Senkungen unterschiedlicher Konfiguration und unterscniedlichen Abstand besitzt, um die Nitwanderwirkung zu unterbinden. Dieses Problem ist der Erfindung fremd, da gattungsgemaß eine Lageranordnung für oszillierende Bauteile vorgesehen ist, d.h. das Lager in jeder Drehrichtung gleichermaßen beansprucht ist.It is true that high-speed rotors are used in rapidly rotating fluid film bearings (Turbo compressors, turbochargers, turbine gas generators, etc.) elastic film inserts known (US-PS 4,133,585), but the elastic film inserts consist of many Individual parts, the radially outermost elastic film having a polygonal configuration has in order to prevent that the elastic film insert is in operation rotates or "moves along" with the rotating bearing part. The polygonal configuration can also be replaced, as is known, by a radially outer foil, the elevations and depressions of different configurations and different distances, to prevent the nit migration effect. This problem is alien to the invention, since a bearing arrangement for oscillating components is provided generically, i.e. the bearing is equally stressed in every direction of rotation.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung naher beschrieben.The invention is described below using an exemplary embodiment Described in more detail with reference to the drawing consisting of a single figure.

In der Zeichnung ist eine Kolben-Pleuel-Lageranordnung 1 in einem Teilschnitt gezeigt.In the drawing, a piston-connecting rod bearing arrangement 1 is in one Partial section shown.

Es ist ein Kolben 2 vorgesehen, der eine innere Aufnahme für ein Pleuelauge 8 eines Pleuels 4 besitzt. Kolben 2 und Pleuelauge 8 sind hierbei über einen durchgesteckten Kolbenbolzen 3 drehbar miteinander verbunden. Die vorgenannten Bauteile bestehen aus Keramikmaterial mit den eingangs genannten Vorteilen.A piston 2 is provided which has an inner receptacle for a connecting rod eye 8 of a connecting rod 4 has. Piston 2 and connecting rod 8 are here pushed through a Piston pin 3 rotatably connected to one another. The aforementioned components exist Made of ceramic material with the advantages mentioned above.

Um Spielfreiheit und Schlag- sowie Kerbunempfindlichkeit der Keramik-Bauteile sicherzustellen, sind erfindungsgemäß elastische ringförmige Zwischenlagen 5,6,7 vorgesehen. Die beiden seitlich äußeren elastischen ringförmigen Zwischenlagen 5 und 6 sind gleichkonfiguriert und schaffen einen elastischen drehfesten Halt zwischen dem keramischen Kolbenbolzen 3 und dem keramischen Kolben 2.About freedom from play and impact and notch insensitivity of the ceramic components ensure elastic ring-shaped intermediate layers 5,6,7 are according to the invention intended. The two laterally outer elastic annular intermediate layers 5 6 and 6 are configured identically and provide a resilient, non-rotatable hold between the ceramic piston pin 3 and the ceramic piston 2.

Die mittlere elastische ringförmige Zwischenlage 7 liegt zwischen dem keramischen Pleuelauge 8 und einer inneren Pleuellagerbüchse 9 an sich bekannter Bauart, die ihrerseits in einem Dreheingriff mit dem keramischen Kolbenbolzen 3 steht.The middle elastic annular intermediate layer 7 lies between the ceramic connecting rod eye 8 and an inner connecting rod bearing bush 9 known per se Type, which in turn rotates in engagement with the ceramic piston pin 3 stands.

Die elastischen Zwischenlagen 5,6,7 befinden sich somit außerhalb des eigentlichen Drehlagerbereichs ohne Gefahr eines Verdrehens oder Nitwanderns des elastischen Glieds bei einer Lageranordnung im Betrieb (im Gegensatz zur Ausführungsform nach US-PS 4 133 585). Die elastischen Zwischenlagen haben Dampfungsfunktion und sind selbst bei ruhender Anordnung elastisch vorgespannt.The elastic intermediate layers 5,6,7 are therefore outside of the actual pivot bearing area without the risk of twisting or nit wandering of the elastic member in a bearing arrangement in operation (in contrast to the embodiment according to U.S. Patent 4,133,585). The elastic intermediate layers have a cushioning function and are elastically pretensioned even when the arrangement is at rest.

Die Federkonstante der Zwischenlagen 5,6,7 liegt im Bereich von 104 bis 106 N/mm pro mm Kolbenbolzendurchmesser.The spring constant of the intermediate layers 5,6,7 is in the range of 104 up to 106 N / mm per mm piston pin diameter.

Die elastischen Zwischenlagen können als an sich bekannte verschleißarme temperaturfeste Wellringe ausgebildet sein.The elastic intermediate layers can be known as low-wear be designed temperature-resistant corrugated rings.

Alternativ kommen gewebte Kissen aus metallischen Drähten in Frage, allerdings nur dann, wenn die Gefahr eines Setzens und damit die Gefahr großer Spiele nicht gegeben ist.Alternatively, woven cushions made from metallic wires can be used, but only if there is a risk of betting and thus the risk of big games is not given.

Claims (9)

Patentansprüche bIKolben-Pleuel-Lageranordnung mit einem den Kolben und das Pleuel verbindenden Kolbenbolzen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die aus Keramik ausgebildeten Kolben (2) und Kolbenbolzen (3) einerseits sowie Kolbenbolzen (3) und Pleuel (4) andererseits über eine elastische ringförmige Zwischenlage (5,6,7) miteinander elastisch verbunden sind. Claims bI-piston connecting rod bearing arrangement with a piston and the piston pin connecting the connecting rod, which means that that the ceramic piston (2) and piston pin (3) on the one hand and Piston pin (3) and connecting rod (4) on the other hand via an elastic ring-shaped intermediate layer (5,6,7) are elastically connected to one another. 2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß Kolben (2) und Kolbenbolzen (3) über zwei äußere elastische ringförmige Zwischenlagen (5,6) sowie Kolbenbolzen (3) und Pleuelauge (8) über eine mittlere elastische ringförmige Zwischenlage (7) miteinander verbunden sind.2. Bearing arrangement according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that piston (2) and piston pin (3) have two outer elastic annular Intermediate layers (5,6) as well as piston pin (3) and connecting rod eye (8) via a middle one elastic annular intermediate layer (7) are connected to one another. 3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die mittlere elastische ringförmige Zasischenlage (7) an das Pleuelaue (8) angrenzt und zwischen der mittleren elastischen ringförmigen Zarischenlage (7) und Kolbenbolzen (3) eine Pleuellaerbüche (9) vorgesehen ist.3. Bearing arrangement according to claim 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the middle elastic annular Zasischenlage (7) on the connecting rod (8) adjoins and between the central elastic ring-shaped czar layer (7) and piston pin (3) a connecting rod flange (9) is provided. 4. Lageranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastischen Zwischenlagen (5,6,7) als Wellringe ausgebildet sind.4. Bearing arrangement according to claims 1 to 3, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the elastic intermediate layers (5,6,7) are designed as corrugated rings are. 5. Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Wellringe gleichkonfigurierte Hebungen und Senkungen besitzen.5. Bearing arrangement according to claim 4, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the corrugated rings have identically configured elevations and depressions. 6. Lageranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastischen Zwischenlagen gewebte elastische Kissen aus metallischen Drähten sind.6. Bearing arrangement according to claims 1 to 3, characterized g e k e n n note that the elastic intermediate layers are made from woven elastic cushions metallic wires are. 7. Lageranordnung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die metallischen Drahte vorgeformt sind.7. Bearing arrangement according to claim 6, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the metallic wires are preformed. 8. Lageranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Kolben (2), Kolben bolzen (3) und Pleuel (4) elastisch vorgespannt miteinander verbunden sind.8. Bearing arrangement according to claims 1 to 7, characterized g e k e n n it is clear that the piston (2), piston pin (3) and connecting rod (4) are elastically preloaded are connected to each other. 9. Lageranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastische Zwischenlage (5,6,7) eine Bederkonstante im Bereich von 10 bis 106 N/mm pro mm Kolbenbolzendurchmesser besitzt.9. Bearing arrangement according to claims 1 to 8, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the elastic intermediate layer (5,6,7) has a operator constant im Has a range of 10 to 106 N / mm per mm of piston pin diameter.
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