EP1509712A1 - Kolbenbolzenlager fuer verbrennungsmotoren - Google Patents
Kolbenbolzenlager fuer verbrennungsmotorenInfo
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- EP1509712A1 EP1509712A1 EP03727239A EP03727239A EP1509712A1 EP 1509712 A1 EP1509712 A1 EP 1509712A1 EP 03727239 A EP03727239 A EP 03727239A EP 03727239 A EP03727239 A EP 03727239A EP 1509712 A1 EP1509712 A1 EP 1509712A1
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- piston
- oval
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- internal combustion
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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
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- 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
Definitions
- the invention relates to a piston pin bearing for an internal combustion engine with hub bores in which a piston pin is mounted.
- DE 21 52 462 B2 proposes a hub shape in which the surface line of the hub bore is bent, the axis of the hub bore has a slightly curved course towards the center of the piston and the cross section of the bore is oval, the small one Semi-axis of the oval runs parallel to the longitudinal axis of the piston.
- DE 16 50 206 A1 proposes an oval hub bore in which the large axis of the oval comes to lie transversely to the longitudinal axis of the piston. This is to increase seizure safety and low noise between the piston pin and the hub bore.
- the object of the invention is to provide an improved hub bore shape for a piston pin bearing compared to the prior art, which allows a significant reduction in mechanical stresses in the piston and thus also an extension of the piston life.
- the design is intended to avoid noise formation in the piston pin bearing.
- the one-sided circular cylindrical shape which is only in the equator-nadir-equator-hub area and in which the surface line of the cylinder lying in the nadir of the hub bore runs parallel to the hub bore axis, advantageously achieves that the play between the piston pin and the hub when the piston pin changes over from the top of the hub to the bottom of the hub is minimized.
- the inventive shaping of the hub bore achieves a significant increase in the service life of the piston compared to the known prior art.
- FIG. 1 shows a partial longitudinal section through a piston.
- FIG. 2 shows a cross section of the hub bore, cut along the line yy.
- Figure 3 is a piston in perspective view showing various highly stressed points A-E.
- FIG. 4 shows a graphical representation of the influence of different hub bore designs on the service life according to the locations according to FIG. 3;
- 5.1 shows a representation of the radial stresses in the hub bore as a development of a cylindrical hub shape between the equator -Zenit-equator with a circular-cylindrical hub shape between the equator -Nadir-Equator;
- a piston 1 for an internal combustion engine has a hub bore 2 with an upper hub region 2.1 and a lower hub region 2.2, in which a circular cylindrical piston pin (not shown) is mounted.
- the upper hub area is arranged on the gas force side, in which the circumferential surface of the hub bore 2, designated 5, has a high oval shape along the entire longitudinal axis X of the hub in the area of the hub equator - hub zenite - hub equator and the parameter representation of the oval
- the lateral surface 5 is formed in the shape of a circular cylinder along the entire longitudinal axis X of the hub between the hub equator-hub adir - hub equator, the following applying to both hub areas:
- the outer lines 3 and 4 in the zenith and nadir are parallel to the longitudinal axis of the hub, which is perpendicular to the longitudinal axis of the piston.
- the ovality is expediently 0.05 to 0.2% of the hub bore diameter D.
- FIGS. 3 and 4 a drastic increase in the service life can be ascertained by the hub design according to the invention, which results from a 1000 hour piston stress test for a light metal diesel piston with an ignition pressure of 190 bar.
- the piston with shaft 6, connecting rod 7 and piston pin 8 and the measuring points A - E are explicitly shown.
- Figures 5.1 and 5.2 show in developments of the upper hub area 2.1 the surface pressure distributions in cylindrical and highly oval design as well as according to Fig. 5.3 the difference in surface pressure distribution from Figs. 5.1 and 5.2 using a light metal diesel piston at an ignition pressure of 175 bar.
- the radial stresses in the outer areas of the Hub bore higher, so that - due to the enlarged lever arm in relation to the pin axis - there is a greater moment, which reduces the bending of the piston around the pin axis. This results in lower tangential stresses at the edge of the bowl, for example, but other areas in the combustion bowl are also less stressed.
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Abstract
Bei einem Kolbenbolzenlager für einen Verbrennungsmotor, in dem ein zylindrischer Kolbenbolzen (8) gelagert ist, soll eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Nabenbohrungsform angegeben werden, um eine deutliche Reduzierung mechanischer Spannungen im Kolben und damit auch eine Verlängerung der Kolbenlebensdauer zu erreichen. Außerdem soll durch die Formgebung eine Geräuschbildung im Kolbenbolzenlager vermieden werden. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Mantelfläche (5) der Nabenbohrung (2) entlang ihrer gesamten Nabenachse im Bereich Nabenäquator - Nabenzenit - Nabenäquator hochoval geformt ist und der Parameterdarstellung des Ovals x=b/2 x cos alpha } ; y = a/2 x sin alpha } für 0° <= alpha <= 180° folgt, und im Bereich Nabenäquator- Nabennadir - Nabenäquator kreiszylinderförmig ausgebildet ist, mit a : großer Ovaldurchmesser; b = D : kleiner Ovaldurchmesser; D : Durchmesser des zylindrischen Nabenteils; alpha : Winkel, den ein beliebiger Strahl gegen die z-Achse bildet.
Description
Kolbenbolzenlager für Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Kolbenbolzenlager für einen Verbrennungsmotor mit Nabenbohrungen, in denen ein Kolbenbolzen gelagert ist.
Nabenbohrungen von Kolben für Verbrennungsmotoren belastungs- und verformungsgerecht zu gestalten, sind beispielsweise aus der DE 21 52 462 B2, DE 41 41 279 A1 und DE 30 36 062 C2 bekannt. Die dort genannten Formgebungen der Nabe resultieren aus der allgemeinen Erkenntnis, dass die auf den Kolbenboden einwirkenden Gaskräfte über die Bolzennaben auf den Kolbenbolzen übertragen werden, wodurch der Kolbenbolzen infolge seiner Drehbewegung im Pleuel periodisch durchgebogen wird. Nach der gängigen Annahme werden dadurch die Nabenbohrungen sowohl in der waagerechten als auch in der senkrechten Ebene, insbesondere aber im Zenit und Nadir der Nabenbohrung, auf Zug, Druck und Biegung beansprucht. Um dieser Deformation gerecht zu werden, schlägt die DE 21 52 462 B2 eine Nabenform vor, bei der die Mantellinie der Nabenbohrung gebogen, die Achse der Nabenbohrung zur Kolbenmitte hin einen leicht gekrümmten Verlauf aufweist und der Querschnitt der Bohrung oval geformt ist, wobei die kleine Halbachse des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft.
In der DE 30 36 062 C2 wird vorgeschlagen, dass die Nabenbohrungen im Querschnitt oval gestaltet sind und die große Halbachse des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft. Zusätzlich weist die von der Längsachse des Kolbens entfernte Seite der Nabenbohrungen eine größere und die der Längsachse des Kolbens benachbarte Seite eine kleinere Ovalität auf, wobei in einer weiteren Ausführung die Mantellinie im Scheitel der Bohrung geneigt ausgeführt ist.
Alle die vorgenannten Formgebungen verhindern jedoch in der Praxis nicht, dass mit steigender Belastung der Kolben durch steigende Zünddrücke Risse im Schaft und
im Bereich des Muldenrandes sowie des Muldenbodens nach wenigen hundert Betriebsstunden entstehen können, deren Ursache im zu großen Spiel zwischen Kolbenbolzen und Nabenbohrung im Zenit und Nadir der Bohrung liegen kann. Um ein möglichst geringes Spiel zu erreichen, wird in der DE 16 50 206 A1 eine ovale Nabenbohrung vorgeschlagen, bei der die große Achse des Ovals quer zur Längsachse des Kolbens zu liegen kommt. Damit soll gleichzeitig die Fresssicherheit und Geräuscharmut zwischen Kolbenbolzen und Nabenbohrung erhöht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Nabenbohrungsform für ein Kolbenbolzenlager anzugeben, die eine deutliche Reduzierung mechanischer Spannungen im Kolben und damit auch eine Verlängerung der Kolbenlebensdauer zulässt. Außerdem soll durch die Formgebung eine Geräuschbildung im Kolbenbolzenlager vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die einseitig, nur im Äquator-Zenit-Äquator-Nabenbereich ausgeführte Hoch- ovalität, bei der die im Zenit der Nabenbohrung liegende Mantellinie des Ovals parallel zur Nabenbohrungsachse verläuft, wird einerseits vorteilhaft erreicht, dass bei der erfindungsgemäßen Ausführung der hochovalen Bohrung die radial in der Nabenbohrung weiter außen liegenden Bereiche, also seitlichen Bereiche der Nabenbohrung, höher belastet werden. Damit ergibt sich - aufgrund des vergrößerten Hebelarmes bezogen auf die Bolzenachse - ein größeres Moment, das die Biegung des Kolbens um die Bolzenachse reduziert. Daraus resultieren gegenüber dem Stand der Technik geringere Tangentialspannungen am Muldenrand und Muldenboden der Verbrennungsmulde.
Andererseits wird durch die einseitig, nur im Äquator-Nadir-Äquator-Nabenbereich ausgeführte kreiszylindrische Form, bei dem die im Nadir der Nabenbohrung liegenden Mantellinie des Zylinders parallel zur Nabenbohrungsachse verläuft, vorteilhaft erreicht, dass das Spiel zwischen Kolbenbolzen und Nabe bei dem Anlagewechsel des Kolbenbolzens von der Nabenoberseite auf die Nabenunterseite minimiert ist.
Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Formgebung der Nabeπbohrung eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik deutliche Erhöhung der Lebensdauer des Kolbens erreicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Kolben;
Fig. 2 einen Querschnitt der Nabenbohrung, geschnitten entlang der Linie yy;
Fig. 3 einen Kolben in perspektivischer Ansicht mit Darstellung verschiedener hochbelasteter Stellen A-E;
Fig. 4 eine grafische Darstellung des Einflusses verschiedener Nabenbohrungsausführungen auf die Lebensdauer gemäß der Stellen nach Fig. 3;
Fig. 5.1 eine Darstellung der Radialspannungen in der Nabenbohrung als Abwicklung einer zylindrischen Nabenform zwischen Äquator -Zenit - Äquator mit kreiszylindrischer Nabenform zwischen Äquator -Nadir - Äquator;
Fig.5.2 eine Darstellung der Radialspannungen in der Nabenbohrung als Abwicklung einer hochovalen Nabenform zwischen Äquator -Zenit - Äquator mit kreiszylindrischer Nabenform zwischen Äquator -Nadir - Äquator;
Fig. 5.3 eine Darstellung der Unterschiede in den Spannungen bei hochovaler und zylindrischer Nabenbohrung;
Fig. 6 Darstellung der Änderung der Lebensdauer.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist ein Kolben 1 für ein Verbrennungsmotor eine Nabenbohrung 2 mit einem oberen Nabenbereich 2.1 und unteren Nabenbereich 2.2 auf, in der ein kreiszylindrischer Kolbenbolzen (nicht dargestellt) gelagert ist. Gemäß
der Figuren 1 und 2 ist der obere Nabenbereich auf der Gaskraftseite angeordnet, bei der die mit 5 bezeichnete Mantelfläche der Nabenbohrung 2 umfangsseitig entlang der gesamten Nabenlängsachse X im Bereich Nabenäquator - Nabenzenit - Nabenäquator hochoval geformt ist und der Parameterdarstellung des Ovals
x = b/2 x cos α } y= a/2 x sin α } für 0° ≤ α ≤ 180° folgt.
Im unteren Bereich 2.2 der Nabenbohrung 2 ist die Mantelfläche 5 entlang der gesamten Nabenlängsachse X zwischen dem Nabenäquator- Nabennadir - Nabenäquator kreiszylinderförmig ausgebildet, wobei für beide Nabenbereiche gilt:
a großer Ovaldurchmesser; b = D kleiner Ovaldurchmesser; D Durchmesser des zylindrischen Nabenteils; α Winkel, den ein beliebiger Strahl gegen die z-Achse bildet.
Für die gesamte Nabenbohrung gilt, dass die im Zenit und Nadir liegenden Mantellinien 3 und 4 parallel zur Nabenlängsachse, die senkrecht zur Kolbenlängsachse steht, verlaufen. Zweckmäßigerweise beträgt die Ovalität 0,05 bis 0,2 % des Nabenbohrungsdurchmessers D.
Wie aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich, ist durch die erfindungsgemäße Nabengestaltung eine drastische Lebensdauererhöhung feststellbar, die aus einem 1000h- Kolbenstresstest für einen Leichtmetall-Dieselkolben mit 190 bar Zünddruck resultiert. In Fig. 3 ist expliziert der Kolben mit Schaft 6, Pleuel 7 und Kolbenbolzen 8 sowie die Messpunkte A - E dargestellt.
Die Figuren 5.1 und 5.2 zeigen in Abwicklungen des oberen Nabenbereiches 2.1 die Flächenpressungsverteilungen in zylindrischer und hochovaler Ausführung sowie nach Fig. 5.3 die Differenz der Flächenpressungsverteilung aus Fig. 5.1 und 5.2 unter Verwendung eines Leichtmetall-Dieselkolbens bei einem Zünddruck von 175 bar. Wie ersichtlich, sind die Radialspannungen in den äußeren Bereichen der
Nabenbohrung höher, so dass sich- aufgrund des vergrößerten Hebelarmes bezogen auf die Bolzenachse- ein größeres Moment ergibt, das die Biegung des Kolbens um die Bolzenachse reduziert. Daraus resultieren z.B. am Muldenrand geringere Tan- gentialspannungen, aber auch andere Bereiche in der Verbrennungsmulde werden weniger belastet.
Aus Fig. 6 ist die Änderung der Lebensdauer, ausgehend von einer zylindrischen Nabenbohrung, die dem Wert 100% entspricht, angegeben. Damit tragen die vorgenannten Spannungsreduzierungen, insbesondere am Muldengrund , Muldenrand in Bolzenrichtung (MuRaBoRi) und Kühlkanal-Mulde (KüKa) zu einer starken Lebensdauererhöhung der Kolben bei.
Bezugszeichen
1 Kolben
2 Nabenbohrung
2.1. oberer Nabenbereich (hochoval)
2.2 unterer Nabenbereich (kreiszylindrisch)
3 Zenit, Mantellinie im Zenit
4 Nadir, Mantellinie im Nadir
5 Mantelfläche der gesamten Nabenbohrung
6 Kolbenschaft
7 Pleuel
8 Kolbenbolzen
X Nabenlängsachse, Äquator
Y Kolbenlängsachse
Z Nabenquerachse
Y' Differenz zwischen großer Halbachse des Ovals und Kreisdurchmesser des unteren Nabenbereiches GDS Gegendruckseite des Kolbens DS Druckseite des Kolbens
Claims
1. Kolbenbolzenlager für einen Verbrennungsmotor mit Nabenbohrungen, in denen ein Kolbenbolzen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (5) der Nabenbohrung (2) entlang ihrer gesamten tragenden Bolzenlänge im Bereich Nabenäquator - Nabenzenit - Nabenäquator hochoval geformt ist und der Parameterdarstellung des Ovals x = b/2 x cos α } y = a/2 x sin α } für 0° < α < 180° folgt, und im Bereich Nabenäquator- Nabennadir - Nabenäquator kreiszylinderförmig ausgebildet ist, mit a großer Ovaldurchmesser; b = D kleiner Ovaldurchmesser; D Durchmesser des zylindrischen Nabenteils; α Winkel, den ein beliebiger Strahl gegen die x-Achse bildet.
2. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Zenit (3) und Nadir (4) liegenden Mantellinien der Nabenbohrung (2) parallel zur Nabenbohrungsachse verlaufen.
3. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen (8) zylindrisch geformt ist.
4. Kolben (1 ) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenbolzen (3) Formeinstiche aufweist.
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