DE3601503A1 - Pleuelstange fuer hubkolbenmaschinen mit kugelsegmentfoermiger fuehrung im zylinder - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Pleuelstange, die der Übertragung der zum Beispiel Gaskräfte bei Brennkraftmaschinen, vom Kolben zum Hubzapfen der Kurbelwelle, dient.

Heute allgemein verwendete Hubkolbenmaschinen, zum Beispiel Verbrennungsmotore und Verdichter, haben Kolben, die ausser der Dichtfunktion zwischen Brenn- bezw. Verdichtungsraum und Kurbelgehäuse, auch durch ihren Schaft die Führung der oberen Pleuellagerung in Zylinderachsrichtung übernehmen. Die Kolben sind bevorzugt einstückig ausgeführt, wobei der Trend zum mehrteiligen Pendelschaftkolben führt.

Bei beiden Grundausführungsformen muß die Grösse der Kolbenführungsflächen der maximalen Betriebsbelastung angepasst sein. Dies bedeutet, daß durch steigende Spitzenbelastungen zum Beispiel bei Verbrennungsmotoren relative Nutzleistungsminderung, das heisst Verbrauchssteigerung bei Teillastbetrieb eintritt.

Die Seitenführung der Pleuelstangen ist im allgemeinen durch die Hubzapfenlagerung der Kurbelwelle sichergestellt. Vereinzelt sind zum Beispiel Verbrennungsmotore auf dem Markt, bei denen die Pleuelführung zwischen Stirnflächen der Kolbenbolzennaben erfolgt.

Ein weiteres Kriterium bei Hubkolbenmaschinen ist, dass im Bereich der Totpunkte, Mischreibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand, in extremen Fällen sogar Trockenreibung vorliegt. Flüssigreibung mit den günstigen Reibwerten wird nur über eine sehr kurze Strecke zwischen den Totpunkten erzielt. Nur bei grosser Gleitgeschwindigkeit der Kolbenlauffläche kann sich bei ausreichender Ölversorgung ein hydrodynamischer Schmierzustand einstellen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bekannte Funktionsnachteile zu vermeiden oder zu verkleinern und den Zustand "Flüssigreibung" möglichst über den ganzen Ablauf eines Arbeitsspieles, zu erreichen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die bisher dem Kolbenschaft zugeordnete Führung des oberen Pleuelendes in Zylinderachsrichtung, vom Pleuel selbst übernommen wird. Erfindungsgemäss sind in Höhe des kleinen Pleuelauges Führungssegmente angebracht, deren kugelförmige Laufflächen in Schwingebene konzentrisch zur Pleuelbohrung liegen. Dabei ist Minimalspiel zur Zylinderbohrung eingestellt.

Durch diese Anordnung, schematisch in Fig. 1 dargestellt, wird in den Totpunkten Bewegung "O" an der Kontaktstelle zwischen Führung und Zylinderbohrung vermieden.

Die in Pleuelschwingebene angeordneten Laufflächensegmente haben in den Totpunkten ihre maximale Drehgeschwindigkeit. Diese Drehbewegung ist dem normalen Kolbenweg überlagert. Je nach Kurbelverhältnis beträgt die Relativgeschwindigkeit in den Totpunkten 30 bis 40% von der maximalen Kolbengeschwindigkeit.

Die schmierkeilbildende Geometrie, Kugelsegment/Zylinderbohrung gewährleistet, bei belastungsangepasstem Ölangebot, Flüssigreibung und dadurch eine nennenswerte Reduzierung der Reibverluste.

Bei der erfindungsgemässen Triebwerksmodifikation ergeben sich viele Möglichkeiten, insbesondere bei Neukonstruktionen, wesentliche Vereinfachung und Kostensenkung zu erzielen.

Beispielsweise ist die Seitenführung des Pleuels überflüssig, da die sich im Zylinder zentrierenden Kugelsegmente diese Aufgabe übernehmen.

Besonders günstig wirkt sich die, Mitte Bolzenbohrung liegende Führungslinie auf die Zylindergestaltung aus. In U. T. kann kurz unterhalb dieser Stelle die Zylinderlaufbahn enden, was eine Kürzung der Zylinderlänge um 10 bis 25% ermöglicht.

Die fehlende Verbindung vom Führungsteil zum Kolbenoberteil, wie beim Pendelschaftkolben in seiner positiven Auswirkung auf das Laufverhalten bekannt, wird ergänzt durch uneingeschränkte Ölversorgung im Abstandsbereich. Fresser, die zu Betriebsstörungen führen sind an den Gleitteilen praktisch ausgeschlossen.

Die thermische Belastung der Führungssegmente stellt sich in Schmieröltemperaturhöhe ein. Dadurch ist der Einsatz von Kunststoffen für die Führungssegmente möglich. Beispielsweise PTFE mit den Variationsmöglichkeiten bei der Füllstoffbeimischung, erlaubt die optimale Anpassung an jede Betriebsart. Die Geräuschdämpfung ist beachtlich.

Bekannt sind Kugel- und Kugelzonenförmige Kolben, die starr mit dem oberen Pleuelende verbunden sind. Anwendung sollten solche Kolben in Trockenlaufverdichtern finden. Die Führungs- und gleichzeitigen Abdichtflächen sind jedoch ein untragbarer Kompromiss, der in seiner verformungssteifen Ausbildung, weder eine nur annähernd befriedigende Abdichtung, noch eine verschleissfreie Führung ermöglicht.

Es ist auch vorgeschlagen worden einen geschlitzten, kugelförmigen Ring einzusetzen, der den gesamten Schwenkbereich überdeckt. Auch diese Ausführung konnte nicht befriedigen.

Die erfindungsgemässe Festlegung, Trennung des Abdichtteiles (Kolbenkopf) von den allseitig vom Schmieröl umfluteten Führungssegmenten, ist der einzige Weg allen Betriebsbeanspruchungen die bei Verdichtern und Verbrennungsmotoren auftreten, gerecht zu werden.

Im Folgenden sind Ausführung und Funktion der Erfindung zeichnerisch beispielhaft dargestellt und beschrieben.

Fig. 1 zeigt zwei Schemadarstellungen des Erfindungsgegenstandes.

Das Kolbenoberteil ist mit 1, das Pleuel mit 2 bezeichnet. Die kugelsegmentförmigen Laufflächenteile 3 sind über Stege mit dem Pleuel starr verbunden. Die Drehrichtung der Kurbelwelle ist durch einen mit 4 gekennzeichneten Pfeil angegeben. Die Druckseite, daraus resultierend, ist mit DS bezeichnet. Der Unterschied zwischen der linksseitigen Darstellung in OT = KW (Kurbelwinkel) 0°, zur rechten Darstellung KW 15° = 15° nach OT veranschaulicht den Erfindungsgedanken sehr eindrucksvoll. Die Relativbewegung der Berührungslinie zwischen kugeliger Lauffläche und Zylinderbohrung ist mit A bezeichnet. Diese setzt sich zusammen aus dem Hubweg B und Schwenkweg C.

Fig. 2-5 zeigen die Neuerung beispielhaft bei verschiedenen Hubzapfenstellungen. Fig. 2 und 3 in OT, wobei Fig. 2 einen Motorteilschnitt in Kurbelwellenachsrichtung und Fig. 3 einen solchen quer zur Kurbelachse zeigt. Fig. 4 zeigt die Kurbelwellenstellung bei der grössten Pleuelauslenkung zur Zylinderachse 17 und der grössten Kolbengeschwindigkeit. Fig. 5 zeigt die Hubzapfenstellung 195°, das heißt 15° nach UT. Für die Fig. 2-5 gilt als Kennzeichen für den Kolben 1, den Kolbenbolzen 2, das Pleuel 3, die Kurbelwelle mit Gegengewicht 4 und den Hubzapfen 5. Mit dem kleinen Pleuelauge 6, sind die kugelförmigen Laufflächensegmente 7, auf Druck und Gegendruckseite, über Stege 8 starr verbunden. Die Verbindungsstege 8 sind vorzugsweise jeweils vom oberen, oder vom unteren Ende der Laufflächensegmente zum kleinen Pleuelauge geführt. Dadurch wird erreicht, in jeder Hubzapfenstellung mindestens ein Führungssegment mit seinem elastischen Bereich, zur Minimalspielauslegung an der Zylinderwand anliegt, siehe Stelle 9 in Fig. 4. Zur optimalen Ölhaltung sind die Laufflächen der Führungssegmente zweckdienlich so bearbeitet, daß die Drehrillen, wie mit dem Kennzeichen 11 markiert, zentrisch Richtung Bolzenachse, das heißt in Richtung der Berührungslinien von Laufflächensegment und Zylinderbohrung verlaufen.

Die Berührungslinie zwischen Laufflächensegment und Zylinderbohrung 10 liegt immer senkrecht zur Zylinderachse in Höhe der Kolbenbolzenachse. Dadurch kann die Zylinderlänge wesentlich gekürzt werden. In Fig. 2 und 5 ist beispielhaft, strichpunktiert, die Zylinderlänge für Motore oder Verdichter herkömmlicher Bauart mit Kolbenschaftführung gezeigt. Um die Strecke 12 in Fig. 5, bis kurz unterhalb der Berührungslinie der Laufpartner kann, bei erfindungsgemässer Ausführung, die Zylinderlänge gekürzt werden.

Die Strecke zwischen Berührungslinie in UT und Zylinderunterkante muß so gross sein, dass eine keilförmige Öffnung 13, wie in Fig. 5 dargestellt, ausreichende Ölversorgung sichert. Der gleiche Grundsatz gilt auch für die Bemessung der kugelförmigen Laufflächensegmente. Bei max. Pleuelauslenkung muss, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Überstand 14 eine Schmieröffnung 15 ergeben.

Fig. 6 zeigt vergleichend zu Fig. 4 einen Motorteilschnitt, mit in Richtung DS (Druckseite) versetzter Kurbelwellenachse. Der maximale Pleuelausschlag zur Achse - Bolzenmitte/Kurbelwellenachse - trägt in Fig. 4 und Fig. 6 das Kennzeichen 17. Der aus dem Achsversatz 18 sich ergebende Winkel 19 ist für die Verminderung der aus der Gaskraft resultierenden Normalkraft wirksam.

Claims (8)

1. Pleuelstange für Brennkraftmaschinen und Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Auge, in Pleuelschwingebene, Führungssegmente angeordnet sind, deren kugelige Laufflächen konzentrisch mit geringem Spiel zur Zylinderbohrung ausgeführt sind und in schwingebene den Schwenkbereich abdecken.

2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächensegmente über den Schwenkbereich, vorzugsweise 2 bis 5% vom Zylinderdurchmesser, hinausragen.

3. Pleuelstange nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pleuel und Führungssegmente einstückig, oder aus Teilen fest zusammengefügt sind.

4. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssegmente mit einer verschleißfesten Laufschicht versehen sind, oder aus solchen Werkstoffen bestehen.

5. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Führungssegmente Kunststoffe verwendet sind.

6. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenfeingestalt der Führungssegmente Ölrillen hat, die jeweils in Zylinderkontaktrichtung verlaufen.

7. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege vom kleinen Pleuelauge zu den Laufflächensegmenten außermittig angeordnet sind.

8. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssegmente auswechselbar mit dem kleinen Pleuelauge verbunden sind.