DE3601503A1 - Connecting rod for reciprocating piston machines with spherical segment-shaped guidance in the cylinder - Google Patents

Abstract

The essential feature of the invention is that the connecting rod is guided in the region of the small eye itself in the axial direction in the cylinder. The piston then only has to assume the function of sealing and transmitting the force of the gas via the connecting rod to the reciprocating pin of the crank shaft. The guidance of the connecting rod in the cylinder is achieved according to the invention by spherical running face segments being connected in the oscillating plane of the connecting rod to the small connecting rod eye securely in the region of the said connecting rod eye so as to be concentric with respect to the bore of the connecting rod and have a small degree of play with respect to the cylinder bore.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Pleuelstange, die der Übertragung der zum Beispiel Gaskräfte bei Brennkraftmaschinen, vom Kolben zum Hubzapfen der Kurbelwelle, dient.The invention relates to a connecting rod, the transmission of gas forces, for example Internal combustion engines, from the piston to the crank pin of the Crankshaft, serves.

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.Reciprocating machines commonly used today, for example internal combustion engines and compressors, have pistons that, apart from the sealing function, between Burning or Compression chamber and crankcase, also guiding the upper connecting rod bearing through its shaft take over in the cylinder axis direction. The Pistons are preferably made in one piece, wherein the trend towards a multi-part pendulum-shaft piston leads.

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.For both basic designs, the size must be the piston guide surfaces of the maximum operating load be adjusted. This means that by increasing peak loads, for example in internal combustion engines relative reduction in useful output, that means an increase in consumption during part-load operation entry.

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.The side guides of the connecting rods are general through the crankshaft journal bearing ensured. For example, internal combustion engines are isolated on the market where the connecting rod guide between the end faces of the piston pin hubs he follows.

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.Another criterion for reciprocating machines is that in the dead center area, mixed friction between Piston shaft and cylinder wall, in extreme cases there is even dry friction. Fluid friction with The favorable coefficient of friction is only a very short Distance reached between the dead centers. Only at high sliding speed of the piston running surface With sufficient oil supply, a hydrodynamic  Set lubrication condition.

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.It is the object of the present invention to avoid or to avoid known functional disadvantages reduce and the state "fluid friction" as possible over the entire course of a work cycle, to reach.

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.The solution to this problem is that the previously assigned to the piston skirt of the upper Connecting rod end in the direction of the cylinder axis, from the connecting rod itself is taken over. According to the invention are in the amount of small connecting rod eye guide segments attached spherical treads concentric in the vibration plane to the connecting rod bore. Here is minimal game Cylinder bore set.

Durch diese Anordnung, schematisch in Fig. 1 dargestellt, wird in den Totpunkten Bewegung "O" an der Kontaktstelle zwischen Führung und Zylinderbohrung vermieden.With this arrangement, shown schematically in FIG. 1, movement " O " at the contact point between the guide and the cylinder bore is avoided in the dead centers.

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.The tread segments arranged in the connecting rod swing plane have their maximum rotational speed at the dead centers. This rotation is normal Piston path overlaid. Depending on the crank ratio the relative speed at the dead centers 30 to 40% from the maximum piston speed.

Die schmierkeilbildende Geometrie, Kugelsegment/Zylinderbohrung gewährleistet, bei belastungsangepasstem Ölangebot, Flüssigreibung und dadurch eine nennenswerte Reduzierung der Reibverluste.The lubricating wedge-forming geometry, spherical segment / cylinder bore guaranteed with load-adjusted Oil supply, fluid friction and therefore a noteworthy Reduction of friction losses.

Bei der erfindungsgemässen Triebwerksmodifikation ergeben sich viele Möglichkeiten, insbesondere bei Neukonstruktionen, wesentliche Vereinfachung und Kostensenkung zu erzielen.Result in the engine modification according to the invention there are many possibilities, especially with new designs, significant simplification and cost reduction to achieve.

Beispielsweise ist die Seitenführung des Pleuels überflüssig, da die sich im Zylinder zentrierenden Kugelsegmente diese Aufgabe übernehmen. For example, the side guide of the connecting rod is superfluous, because the spherical segments centering in the cylinder take on this task.  

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.The middle of the bolt hole has a particularly favorable effect lying guideline on the cylinder design out. In U. T., just below this Make the cylinder barrel ends what a cut the cylinder length by 10 to 25%.

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.The missing connection from the guide part to the upper piston part, like the pendulum-shaft piston in its positive Impact on running behavior is known supplemented by unlimited oil supply in the Distance range. Eaters leading to breakdowns are practically impossible on the sliding parts.

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.The thermal load on the guide segments at the level of the lubricating oil. This is the Use of plastics for the management segments possible. For example PTFE with the possible variations when adding the filler, allows optimal adaptation to every operating mode. The noise reduction is remarkable.

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.Spherical and spherical zone-shaped pistons are known, which are rigidly connected to the upper connecting rod end. Such pistons should be used in dry-running compressors Find. The leadership and simultaneous However, sealing surfaces are an intolerable compromise, who is in his rigid training, neither an approximately satisfactory seal, still allows wear-free guidance.

Es ist auch vorgeschlagen worden einen geschlitzten, kugelförmigen Ring einzusetzen, der den gesamten Schwenkbereich überdeckt. Auch diese Ausführung konnte nicht befriedigen.It has also been proposed a slotted, spherical ring to insert the entire Covered swivel range. This version could also not satisfy.

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. The determination according to the invention, separation of the sealing part (Piston head) from all sides of the lubricating oil flooded leadership segments is the only way all operational stresses of compressors and Internal combustion engines occur to meet.  

Im Folgenden sind Ausführung und Funktion der Erfindung zeichnerisch beispielhaft dargestellt und beschrieben.The following are the design and function of the Invention illustrated by way of example and described.

Fig. 1 zeigt zwei Schemadarstellungen des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 shows two schematic views of the subject invention.

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.The upper piston part is 1 , the connecting rod 2 . The spherical segment-shaped tread parts 3 are rigidly connected to the connecting rod via webs. The direction of rotation of the crankshaft is indicated by an arrow marked with 4 . The print page, resulting from this, is labeled DS . The difference between the left-hand representation in OT = KW (crank angle) 0 °, to the right-hand representation KW 15 ° = 15 ° after TDC illustrates the inventive idea very impressively. The relative movement of the line of contact between the spherical tread and the cylinder bore is denoted by A. This consists of the stroke B and swivel 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. Fig. 2-5 show the innovation by way of example with different crank pin positions. Figs. 2 and 3 in OT, Fig. 2 shows such a cross-section in a motor part Kurbelwellenachsrichtung and Fig. 3 a to the crank axis. Fig. 4 shows the crankshaft position with the largest connecting rod deflection to the cylinder axis 17 and the greatest piston speed. Fig. 5 shows the crank pin position 195 °, that is 15 ° after UT . For the Fig. 2-5 the piston pin 2, the connecting rod 3, with the crankshaft counterweight 4 and the crank pin 5 is considered as a characteristic for the piston 1. With the small connecting rod eye 6 , the spherical tread segments 7 , on the pressure and counter pressure side, are rigidly connected via webs 8 . The connecting webs 8 are preferably each guided from the upper or from the lower end of the tread segments to the small connecting rod eye. This ensures that in each crank pin position at least one guide segment with its elastic area lies against the cylinder wall for minimum clearance design, see position 9 in Fig. 4. For optimal oil maintenance, the running surfaces of the guide segments are expediently machined so that the rotary grooves, as with the mark 11 marked, run centrally in the direction of the pin axis, that is to say in the direction of the lines of contact between the tread segment and the cylinder bore.

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.The line of contact between the tread segment and cylinder bore 10 is always perpendicular to the cylinder axis at the level of the piston pin axis. As a result, the cylinder length can be shortened significantly. In FIGS. 2 and 5 is exemplary, dash-dotted lines, the length of the cylinder for engines or compressors of conventional design shown with piston stem guide. In the embodiment according to the invention, the cylinder length can be shortened by the distance 12 in FIG. 5 to just below the line of contact of the running partner.

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.The distance between the line of contact in the UT and the lower edge of the cylinder must be so large that a wedge-shaped opening 13 , as shown in FIG. 5, ensures sufficient oil supply. The same principle applies to the dimensioning of the spherical tread segments. At max. As shown in FIG. 4, the connecting rod deflection must result in a protrusion 14 in a lubrication opening 15 .

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. Fig. 6 shows comparative to Fig. 4 a motor part section, with offset in the direction DS (pressure side) crankshaft axis. The maximum Pleuelausschlag to the axis - pin center / crankshaft axis - carrying in Figures 4 and 6 the indicator 17th.. The angle 19 resulting from the axis offset 18 is effective for reducing the normal force resulting from the gas force.

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.1. Connecting rod for internal combustion engines and compressors, characterized in that guide segments are arranged on the upper eye, in the connecting rod oscillation plane, the spherical running surfaces of which are designed concentrically with little play to the cylinder bore and cover the swivel range in the oscillation plane. 2. Pleuelstange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächensegmente über den Schwenkbereich, vorzugsweise 2 bis 5% vom Zylinderdurchmesser, hinausragen.2. connecting rod according to claim 1, characterized in that the tread segments over the swivel range, preferably 2 to 5% from Cylinder diameter, protrude. 3. Pleuelstange nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pleuel und Führungssegmente einstückig, oder aus Teilen fest zusammengefügt sind.3. connecting rod according to claim 1 and 2, characterized characterized that connecting rod and guide segments in one piece, or firmly assembled from parts are. 4. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssegmente mit einer verschleißfesten Laufschicht versehen sind, oder aus solchen Werkstoffen bestehen.4. connecting rod according to claims 1 to 3, characterized in that the guide segments with a wear-resistant running layer are provided, or from such materials consist. 5. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Führungssegmente Kunststoffe verwendet sind.5. connecting rod according to claims 1 to 4, characterized in that for the leadership segments Plastics are used. 6. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenfeingestalt der Führungssegmente Ölrillen hat, die jeweils in Zylinderkontaktrichtung verlaufen.6. connecting rod according to claims 1 to 5, characterized in that the surface fineness who has oil groove guide segments which each run in the cylinder contact direction. 7. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege vom kleinen Pleuelauge zu den Laufflächensegmenten außermittig angeordnet sind. 7. connecting rod according to claims 1 to 6, characterized in that the connecting webs from the small connecting rod eye to the tread segments are arranged off-center.   8. Pleuelstange nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungssegmente auswechselbar mit dem kleinen Pleuelauge verbunden sind.8. connecting rod according to claims 1 to 7, characterized in that the guide segments interchangeable with the small connecting rod eye are connected.