DE2345223C3 - Kolben für Hubkolbenmaschinen mit einem hohlen Kolbenbolzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Hubkolbenmaschinen mit einem hohlen Kolbenbolzen zur Aufnahme einer Schraube, mittels der Kolben und Kolbenbolzen quer zur Kolbenachse miteinander verspannt sind.

Eine derartige Triebwerkskonstruktion zeigt beispielsweise die französische Patentschrift 3 63 099. Auch dort findet ein in Längsrichtung hohler Kolbenbolzen Verwendung. Dieser Kolbenbolzen wird von einer Schraube durchdrungen, die ihn in seiner Lage gegenüber dem Kolbenmantel fixiert. Die den Kolbenbolzen aufnehmende Schraube weist an einem Ende einen angeformten Schraubenkopf und an ihrem anderen Ende eine angeschraubte Mutter auf. Schraubenkopf und Schraubenmutter liegen an ihren dem Kolbenbolzen zugewandten Flächen und längs ihrer radia- len Umfangsflächen formschlüssig an dem Kolbenmantel an. Die Schraube ist ferner in dem Kolbenmantel in gegenüberliegenden und fluchtenden Bohrungen ohne Spiel gelagert. Diese den Kolbenbolzen aufnehmenden Bohrungen müssen daher sehr fein bearbeitet sein und verursachen somit hohe Fertigungskosten. Der hohle Kolbenbolzen liegt über seine gesamte Länge mit einer relativ engen Passung auf der ihn haltenden Schraube auf. Bei dieser Konstruktion gelangen die auf den Kolbenbolzen einwirkenden Kräfte direkt auf die diesen Bolzen haltende Schraube. Dadurch wird diese einmal sehr stark auf Biegung beansprucht, was bekanntlich für Schrauben äußerst ungünstig ist. Zudem wird diese Biegebeanspruchung noch auf den zylindrischen Kolbenmantel übertragen, wodurch dieser bis in die Ring- partien hinein deformiert weiden kann.

Die Erfindung will nun eine Lösung aufzeigen, nach der diese Nachteile möglichst vermieden werden können. Insbesondere wird angestrebt, einen durch eine Schraubverbindung an dem Kolben befestigten KoI- &s benbolzen möglichst kurz und in einer von der Gestaltsfestigkeit her ungeschwächten Form herzustellen sowie diesen ohne komplizierte Passungen zu lagern.

Dabei soll die den Kolbenbolzen durchdringende und diesen an dem Kolben verspannende Schraube weitgehend frei von Biegebeanspruchungen gehalten werden. Weiterhin soll auch das auf den Kolbenbolzen und dessen Schraubverbindung entfallende Gewicht im Hinblick auf eine Senkung der bewegten Masse des Triebwerkes verringert werden.

Erfindungsgemäß werden bereits alle diese Teilaufgaben dadurch gelöst, daß die den Kolbenbolzen verspannende Schraube innerhalb des Kolbenbolzens und in zwei an sich bekannten vom Kolbenboden nach innen gerichteten Fortsätzen in Bohrungen gelagert ist, deren Durchmesser größer sind als der Außendurchmesser dieser Schraube, so daß nach Verspannen der Schraube die auf den Kolben wirkenden Kräfte allein vom Reibschluß zwischen Stirnflächen an Schraube, Fortsätzen und Kolbenbolzen auf ein an diesem angelenktes Pleuel übertragen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes weisen die vom Kolbenboden nach innen gerichteten Fortsätze an ihren inneren, einander gegenüberliegenden Stirnflächen Schultern auf, die als Anlage für den Kolbenbolzen dienen. Diese Schultern erweisen sich besonders bei der Montage des Kolbenbolzens als günstig.

Zur Verwendung bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konstruktion eignet sich insbesondere ein Kolbenbolzen aus Leichtmetall. Dies gilt ganz besonders hinsichtlich der Festigkeit der Reibschlußlagerung bei ansteigenden Temperaturen während des Triebwerkbetriebes. Entscheidend für den Halt des Bolzens ist nach der Erfindung der Reibschluß zwischen den Bolzenstirnflächen und den von dem Kolbenboden ausgehenden Fortsätzen, wobei die für den Reibschluß erforderliche Kraft von der den Bolzen verspannenden Schraube ausgeht. Die Schraube selbst ist zur Aufnahme der hohen Zugbeanspruchung als Dehnschraube ausgebildet. An dieser Schraube soll der Kolbenbolzen möglichst an keiner Stelle fest anliegen, d. h. seine Exaktlage soll nicht durch Auflage am Schraubenumfang festgelegt werden.

Als Material für den Kolbenbolzen eignet sich das Leichtmetall deshalb besonders gut, weil durch das Leichtmetall einmal eine Gewichtsenkung der bewegten Massen des Triebwerkes erzielt werden kann und andererseits eine günstige Materialpaarung hinsichtlich der gesamten Schraubverbindung erreicht wird. Infolge des hohen Ausdehnungs-Koeffizienten von Leichtmetall dehnt sich der Bolzen bei Temperaturerhöhungen nämlich wesentlich stärker aus als die den Bolzen verspannende Dehnschraube aus Stahl oder einer Legierung hiervon. Dadurch nimmt der Reibschlußhalt bei erhöhter Temperatur während des Triebwerkbetriebes praktisch zu und gewährt noch eine zusätzliche Sicherheit für den Halt des Reibschlusses.

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Problem der Kolbenbolzenlagerung sei auch noch auf die deutsche Patentschrift 8 12 746 hingewiesen. Diese zeigt ein Tricowerk, bei dem der Kolbenbolzen an seinen Enden mit Abflachungen versehen ist, mit denen er am Kolben anliegt. Die Enden des Bolzens sind mit dem Kolben durch parallel zur Kolbenlängsachse geführte Schrauben verbunden. Damit unterscheidet sich dieser Gegenstand grundsätzlich von der Erfindung, nach der ein in Längsrichtung hohler Kolbenbolzen durch eine den Bolzenhohlraum durchdringende Schraube an nach innen gerichteten Fortsätzen des Kolbenbodens verspannt wird.

Damit zeichnet sich die Erfindung vor allem durch folgende Vorteile aus:

Der Kolbenbolzen wird in Richtung der Kolbeniängsachse durch Reibschluß während des gesamten Triebwerkbetriebes sicher gehal;cn, wobei er sich in Kolbenbodenrichtung zusätzlich noch gegen Schultern abstützen kann, die an von dem Kolbenboden ausgehenden Fortsätzen angeformt sein können. Die durch den Hohlraum des Bolzens geführte Spannschraube wird von dem Kolbenbolzen her nicht auf Biegung be- ίο ansprucht. Darüber hinaus ist die Montage des Kolbenbolzens sehr einfach, da nur eine einzige gut zugängliche Schraube vorgesehen ist im Gegensatz beispielsweise zu der Lösung nach der DT-PS 8 12 746. Aus der DT-OS 2151 184 ist zwar auch bereits eine Kolbenbolüenverspannung durch eine Schraube bekannt, bei der diese Schraube ebenfalls nicht auf Biegung beansprucht wird. Die gesamte Kolbenkonstruktion sowie insbesondere die Art der Bolzenlagerung ist dort jedoch grundsätzlich von der erfindungsgemäßen Lösung verschieden. Dort verläuft nämlich die den Bolzen spannende Schraube nicht in Kolbenquer-, sondern in Kolbenlängsrichtung. Dadurch ergeben sich eine ganze Reihe erhebliche Nachteile gegenüber der erfindungsgemäß aufgezeigten Bauweise. So ergibt sich bei jenem KoI-ben wegen der dort vorgesehenen zentrischen Verschraubung beispielsweise eine in vielen Fällen unerwünscht große Bauhöhe. Denn zur Aufnahme der von der Schraube auszuhaltenden mechanischen und thermischen Belastung muß diese als Dehnschraube mit einer gewissen Länge zum Vorspannen für die erforderliche Dehnung ausgebildet sein. Der Schraubenkopf liegt in einer äußeren öffnung des Kolbenbodens. Durch diese Anordnung kann die Höhe der mechanischen Belastung an der Schraubenauflagefläche des Kolbenbodens bei hohen Betriebstemperaturen wegen der mit steigender Temperatur sinkenden Festigkeit des meist aus Leichtmetall bestehenden Kolbenwerkstoffes vielfach kritisch werden. Im übrigen schwächt die für die Spannschraube erforderliche Durchbrechung des Kolbenbodens diesen. Die im Kolbenbodenäußeren liegende öffnung zur Aufnahme des Schraubenkopfes stellt einen unerwünschten Schadraum dar, der nur mit besonderem zusätzlichem Aufwand unschädlich gemacht werden kann. Anderenfalls bestünde nämlich die Gefahr einer Verkokung, die bei Otto-Motoren zu Glühzündungen führen könnte. Im übrigen muß der Kolbenbolzen selbst ein großes Materialvolumen sowie hohe Festigkeit wegen der Aufnahme des Gewindes für die zentral angeordnete Spannschraube besitzen. Denn dieses Gewinde muß im oberen Totpunkt die gesamte Massenkraft des Kolbenkopfes, der Schraube selbst, zuzüglich der in der Schraube herrschenden Vorspannkraft aufnehmen Außerdem kann bei dem dortigen Bolzen auch nur ein geschlitztes und damit von der Fertigung teueres und von der Tragfähigkeit her geschwächtes Pleuel Verwendung finden. Nicht zuletzt ist an dem Bolzen für die Drucklagerung zwischen Kolbenboden und Bolzen auch noch eine spezielle Ausfräsung erforderlich. Sämtliche der genannten Schwierigkeiten und Nachteile sind bei der erfindungsgemäßen Lösung praktisch von vornherein nicht vor

handen.

Die Erfindung soli an zwei Aasführungsbeispielen erläutert werden, die in der Zeichnung dargestellt sind. £s zeigt

F i g. 1 einen Teil eines Triebwerkes gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse,

F i g. 2 einen Schnitt durch F i g. 1 entlang der Linie H-Il,

Fig.3 einen Teil eines Triebwerks gemäß .«ner zweiten Ausführung der Erfindung in einem Schnitt entlang der Kolbenlängsachse und

F i g. 4 einen Schnitt durch F i g. 3 entlang der Linie IV-IV.

Bei beiden Ausführungen ist übereinstimmend der Kolben als Ganzes mit 1 bezeichnet. Er weist einen Kolbenboden 2 und eine Ringzone 3 auf. Von der Innenseite des Kolbenbodens 2 stehen parallel zur Kolbenlängsachse gerichtete wandartige Fortsätze 4 und 5 ab. Zwischen diesen ist ein Bolzen 6 angeordnet, der von dem Kopf eines Pleuels 7 umfaßt wird. Die Fortsätze 4 und 5 und der Bolzen 6 sind von miteinander fluchtenden Bohrungen 8, 9 und 10 durchsetzt. Durch diese ist eine Schraube 11 geführt, welche durch eine Mutter 12 angezogen ist.

Bei der ersten Ausführung gemäß F i g. \ und 2 sind die Fortsätze 4 und 5 einstückig mit Schaftteilen 13 und

14 verbunden, welche die Führung des Kolbens 1 im nicht dargestellten Zylinder übernehmen. Der Bolzen 6 ist im Verhältnis zu seinem Durchmesser sehr kurz und wird zwischen den Fortsätzen 4 und 5 ausschließlich durch die Reibungskräfte gehalten, welche durch die Spannkraft der Schraube 11 vermittelt werden. Damit die Schraube 11 auf keinen Fall einer Biegebeanspruchung ausgesetzt ist, ist zwischen ihrem Schaft und den Bohrungen 8 und 9 in den Fortsätzen 4 und 5 sowie zwischen dem Schaft und der Bohrung 10 in dem Kolbenbolzen 6 ein Spiel vorgesehen.

Die zweite Ausführung gemäß Fig.3 und 4 weist folgende Besonderheit auf: Zwischen dem Schaft der Schraube 11 und ihrem Kopf ist ein zapfenförmiges Stück 15 angeordnet. Außerdem ist am anderen Ende der Schraube zwischen ihrem Schaft und der Mutter 12 eine Hülse 16 eingesetzt, die den gleichen Durchmesser aufweist wie das zapfenförmige Stück 15. Der Zapfen

15 und die Hülse 16 greifen in entsprechende Bohrungen 17 und 18 eines Schaftteiles 19 ein. Das Schaftteil 19 ist also von dem übrigen Kolben 1 vollständig getrennt und mit ihm nur über die Schraube 11 drehbar verbunden. Diese Konstruktion stellt also einen sogenannten Pendelschaftkolben dar, der den großen Vorteil hat, daß der Schaft unbeeinflußt durch den Kopf, der nur der Weiterleitung der Gaskräfte und der Abdichtung des Brennraums dient, die Führung des Kolbens im Zylinder wahrnehmen kann. Außerdem liegt der Kolbenbolzen 6 im Gegensatz zur ersten Ausführung auch noch an an den Fortsätzen 4, 5 angeformten Schultern 20, 21 an. Die Stirnflächen des Bolzens 6 sind übrigens mit Rücksicht auf eine leichte Fertigung ebenso wie die entsprechenden Anlageflächen an den Fortsätzen 4 und 5 zylinderabschnittförmig ausgebildet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentanspräche:

1. Kolben für Hubkolbenmaschinen mit einem hohlen Kolbenbolzen zur Aufnahme einer Schrau- i be, mittels der Kolben und Kolbenbolzen quer zur Kolbenachse miteinander verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schraube (U) aufnehmenden Bohrungen (8, 9; 10) in zwei

an sich bekannten vom Kolbenboden (2) nach innen gerichteten Fortsätzen (4, 5) und im Kolbenbolzen (6) größer sind als der Außendurchmesser der Schraube (11), so daß nach Verspannen der Schraube die auf den Kolben wirkenden Kräftfc allein vom Reibschluß zwischen den Stirnflächen an Schraube, Fortsätzen und Kolbenbolzen auf das Pleuel (7) übertragen werden.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortsätze (4, 5) an ihren inneren, einander gegenüberliegenden Stirnflächen Schultern (20, 21) aufweisen, die als Anlage für den Kolbenbolzen (6) dienen.

3. Kolbenbolzen für den Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Leichtmetall besteht.