DE3331300C2 - - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/10—Connection to driving members
- F16J1/14—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections
- F16J1/16—Connection to driving members with connecting-rods, i.e. pivotal connections with gudgeon-pin; Gudgeon-pins
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Pleuel-Anordnung für
Hubkolbenmaschinen.
Bei Hubkolbenmaschinen ist der hohlzylinderförmige
Kolbenbolzen das kraftübertragende Verbindungsglied
zwischen Kolben und Pleuel, wobei Kolben, Kolbenbolzen und
Pleuel ein Drehgelenk mit dem Kolbenbolzen als Drehzapfen
bilden. Durch die am Kolbenbolzen angreifenden Kräfte wird
dieser auf Biegung, Ovalverformung und Abscherung
beansprucht. Bei konstanter Querschnittsfläche nimmt die
Biegung des Kolbenbolzens mit steigendem Außendurchmesser
ab, während die Ovalverformung zunimmt. Unzulässig hohe
Ovalverformung läßt sich durch eine Vergrößerung der
Wanddicke des Kolbenbolzens vermindern. In der Praxis ist
man bemüht, den Kolbenbolzen so zu gestalten, daß Biegung
und Ovalverformung etwa gleich groß sind, wobei sich die
in DIN 73 121 und 73 122 niedergelegten Einzelabmessungen
ergeben. Die infolge der Ovalverformung des Kolbenbolzens
größte Beanspruchung tritt als Bugspannung in der
Innenbohrung des Kolbenbolzens auf. Die Bolzennaben werden
an ihrem oberen Scheitel über den ganzen Querschnitt auf
Druck beansprucht. Der Druckspannung überlagert sich noch
eine erhebliche Biegespannung aus der Ovalverformung des
Kolbenbolzens, was zu einer unzulässig hohen Beanspruchung
der Bolzennaben mit der Folge der Ausbildung von
Nabenspaltrissen führen kann.
Spezifisch hochbelastete Bolzennaben erfordern daher die
Verwendung eines verformungsarmen Kolbenbolzens. Das
widerspricht aber dem allgemeinen Bestreben nach
geringeren Massen bei Hubkolbenmaschinen. Die
Beanspruchung kann jedoch durch einen sogenannten
Formkolbenbolzen heraufgesetzt werden, der zwei sich
jeweils vom Bereich der Innenkanten der Bolzennaben bis in
den Bereich der Innenkanten des kleinen Pleuels
erstreckende umlaufende Einschnürungen mit im Querschnitt
konischer Form aufweist. Die Möglichkeiten der Formgebung
sind jedoch auf rein rotationssymmetrische Formen
begrenzt. Dies ist zum einen durch die zur Bearbeitung
eingesetzten Schleifverfahren bedingt, zum anderen aber
auch von der Funktion her notwendig, da bei der üblichen
schwimmenden Lagerung des Bolzens eine Drehbewegung des
Bolzens im Betrieb stattfindet. Der Formkolbenbolzen kann
daher nicht bei einer schrägen oder gestuften
Nabenkonstruktion eingesetzt werden. Weiterhin kann er nur
die Längsverformungen ausgleichen, und nicht die
Ovalverformung der Bolzen- und Bohrungsquerschnitte
(DE-B-26 15 212).
In der DE-A-19 46 403 ist ein eine obere und untere
kreisbogenförmig gekrümmte Fläche, die durch
konkave Flächen miteinander verbunden sind, aufweisender
Kolbenbolzen beschrieben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dem
Kolbenbolzen der Kolben-Pleuel-Anordnung für
Hubkolbenmaschinen eine solche Gestalt zu geben, daß ein
verbessertes Verformungsverhalten und gleichzeitig eine
weitergehende Gewichtsverminderung erzielt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem im Querschnitt
doppelt-T-förmigen breitflanschigen im Pleuel oder in
den Bolzennaben festgeklemmten Kolbenbolzen.
Bei einer Kolben-Pleuel-Anordnung mit im Pleuelauge festgeklemmtem
Kolbenbolzen ist dieser mit einem klauenartig
ausgebildeten Pleuelauge verbunden, das die äußeren und
inneren Flanschflächen des unteren Flansches des
Kolbenbolzens formschlüssig und/oder kraftschlüssig
umgreift. Durch diese Maßnahme wird das Gewicht der
Kolben-Pleuel-Anordnung zusätzlich erniedrigt.
Durch die Schrägstellung des Pleuelauges zur Pleuelstange
kann die für die Beanspruchung des Kolbenbolzens optimale
Lage eingestellt werden.
Da der Kolben als Träger gleicher Biegebeanspruchung
anzusehen ist, kann dieser im Rahmen der vorzugsweisen
Ausbildung an den Stellen mit relativ geringer
Scherbeanspruchung mit Erleichterungsbohrungen versehen
sein, wodurch eine zusätzliche Gewichtsersparnis erzielt
wird.
Von besonderem Vorteil ist, wenn die äußere
kreisbogenförmig gekrümmte Flanschfläche des oberen
Flansches des Kolbenbolzens formschlüssig in eine
korrespondierend ausgebildete Ausnehmung auf der
Innenseite des Kolbenbodens ragt und sich dadurch der
Kolbenboden unmittelbar auf dem Kolbenbolzen abstützen
kann. Neben einer deutlich besseren Wärmeableitung,
vorzugsweise aus dem Bereich des Kolbenbodens, wird eine
bessere Krafteinleitung in den Kolbenbolzen selbst
erreicht.
Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung sind die inneren
Flanschflächen des Kolbenbolzens geneigt, wobei die
Neigung vorzugsweise 2 bis 15% beträgt.
Der Kolbenbolzen besteht aus Einsatzstahl, Nitrierstahl,
keramischem Werkstoff oder faserverstärktem Werkstoff mit
vorwiegend metallischer Matrix.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolbenbolzen muß
orientiert eingebaut werden, da das Widerstandsmoment
seines Querschnitts im Gegensatz zum hohlzylindrischen
Bolzen nicht für alle Achsen gleich groß ist.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, den
Kolbenbolzen in der optimalen Lage, in der die Achse des
maximalen Widerstandsmoments des Querschnitts des
Kolbenbolzens und der Vektor des im Kolbenbolzen
auftretenden maximalen Biegemoments annähernd parallel
sind, im Pleuelauge oder in den Bolzennaben festzuklemmen.
Auf diese Weise kommt im Motorbetrieb das maximale
Widerstandsmoment zur Geltung. Die bei festgeklemmten
Kolbenbolzen herkömmlicher Gestalt unzureichende
Schmierung tritt bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten
Kolbenbolzen nicht auf, da sich der Schmiermittelnebel
infolge der doppelt-T-förmigen Gestalt des Kolbenbolzens
ungehindert in den Lagerungen des Kolbenbolzens im Pleuel
bzw. in den Bolzennaben niederschlagen kann. Da bei einer
festgeklemmten Bolzennabe die Lagerbuchsen sowie die
seitlichen Sicherungen entfallen können, wird durch diese
Maßnahme zusätzlich Gewicht eingespart.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft
dargestellt und wird nachstehend erläutert.
In den Bohrungen (1, 1′) der Naben (2, 2′) des mit einer
Brennraummulde (3) versehenen Aluminiumkolbens (4)
befindet sich der im Querschnitt doppelt-T-förmige
Kolbenbolzen (5). Die inneren Flanschflächen (6, 6′) des
Kolbenbolzens weisen eine Neigung von 2° auf und die
äußeren Flanschflächen (7, 7′) sind kreisbogenförmig
gekrümmt. Die innere Flanschfläche (6) und die äußere
Flanschfläche (7) des unteren Flansches (8) sind
formschlüssig und kraftschlüssig mit dem klauenartig
ausgebildeten kleinen Pleuelauge (9) des Pleuels (10)
verbunden. Das Pleuelauge (9) selbst bildet mit dem
Pleuel (10) einen Winkel von 20°. Die
kreisbogenförmig gekrümmte Flanschfläche (7′) des oberen
Flansches (11) ragt formschlüssig in die korrespondierend
ausgebildete Ausnehmung (12) auf der Innenseite des
Kolbenbodens (13). Der untere und obere Flansch (8, 11)
sind über den Steg (14) miteinander verbunden.
Der erfindungsgemäß gestaltete Kolbenbolzen wurde einer
einem Zünddruck von 90 bzw. 100 bar entsprechenden
dynamischen Prüflast, druckschwellend, ausgesetzt. Der
Kolbenbolzen erreichte unbeschädigt die vorgegebene
Grenzlastspielzahl von 2×106 Schwingspielen. Die dabei
deutlich gewordene hohe Festigkeit des erfindungsgemäßen
Kolbenbolzens ist mit einer Gewichtseinsparung von 47%,
bezogen auf das Gewicht eines entsprechenden
hohlzylinderförmigen Kolbenbolzens, verbunden.
Claims (7)
1. Kolben-Pleuel-Anordung für Hubkolbenmaschinen mit
kreisbogenförmig gekrümmten äußeren Flanschflächen (7, 7′),
gekennzeichnet durch einen im Querschnitt
doppelt-T-förmigen breitflanschigen im Pleuel (10)
festgeklemmten Kolbenbolzen (5).
2. Kolben-Pleuel-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (5) in ein
klauenartig ausgebildetes, die inneren und die äußeren
Flanschflächen (6, 7) des unteren Flansches (8) des
Kolbenbolzens formschlüssig und/oder kraftschlüssig
umgreifendes Pleuelauge (9) eingebaut ist.
3. Kolben-Pleuel-Anordnung für Hubkolbenmaschinen mit
kreibogenförmig gekrümmten äußeren Flanschflächen (7, 7′),
gekennzeichnet durch einen im Querschnitt
doppelt-T-förmigen breitflanschigen in den
Bolzennaben (2, 2′) festgeklemmten Kolbenbolzen (5).
4. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1
oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (14)
des Kolbenbolzens (5) im Bereich vergleichsweise
geringer Scherbeanspruchung Erleichterungsbohrungen
aufweist.
5. Kolben-Pleuel-Verbindung nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die äußere gekrümmte
Flanschfläche (7′) des oberen Flansches (11) des
Kolbenbolzens (5) formschlüssig in eine
korrespondierend ausgebildete Ausnehmung (12) auf der
Innenseite des Kolbenbodens (13) ragt.
6. Kolben-Pleuel-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die inneren
Flanschflächen (6, 6′) des Kolbenbolzens, vorzugsweise
um 2 bis 15%, geneigt sind.
7. Kolben-Pleuel-Anordnung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kolbenbolzen (5) aus Einsatzstahl, Nitrierstahl,
keramischem Werkstoff oder faserverstärktem Werkstoff
mit vorwiegend metallischer Matrix besteht.
Priority Applications (4)
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