DE69506386T2

DE69506386T2 - Achse für zweiteiligen kolben

Info

Publication number: DE69506386T2
Application number: DE69506386T
Authority: DE
Inventors: Jose Ann Arbor Mi Do Carmo Souza Ribeiro; Luis Miguel Valdes 04746-901-Sao Paulo Sp Lopes; Jose Manoel 04746-901-S O Paulo Sp Martins Leites
Original assignee: AE Goetze Inc Carolina
Current assignee: Federal Mogul Carolina Inc
Priority date: 1994-03-08
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2015-03-07
Also published as: WO1995024575A1; EP0749543A1; US5628577A; DE69506386D1; ATE174108T1; BR9400717A; EP0749543B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen leichten und dennoch sehr widerstandsfähigen Kolbenbolzen, der zum Verbinden der Teile eines gelenkigen oder zweiteiligen Kolbens und zum Koppeln eines derartigen Kolbens mit einer Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor einsetzbar ist.

Hintergrund der Erfindung

Jedes der Teile, welche die Anordnung, die den Kolbenboden, den Kolbenmantel, die Pleuelstange und den Kolbenbolzen umfaßt, zum verschwenkbaren Verbinden dieser Teile untereinander bilden, ist in jüngster Zeit mit dem Ziel einer Gewichtsreduzierung eingehend untersucht worden, um die durch solche sich bewegenden Metallteile verursachten Leistungsverluste zu verringern und folglich die gesamte im Zylinder erzeugte Energie so zu nutzen, daß der Kraftstoffverbrauch gesenkt und der Wirkungsgrad des Motors in erwünschten Grenzen gehalten wird.
Was nun insbesondere den Kolbenbolzen betrifft, der herkömmlicherweise aus Stahl oder Eisen hergestellt wird, so schlug man Mitte der 80er Jahre vor, zu seiner Herstellung Kunststoffe oder Polymere zu verwenden. Ein entsprechender Vorschlag findet sich im US-Patent Nr. 4,430,906 der Standard Oil Company.
Bei den neuesten Dieselmotoren mit Gelenkkolben sind jedoch die Drücke und Temperaturen im Zylinder in einem solchen Maße angestiegen, daß es erforderlich wäre, hochentwickelte und sehr teure Polymere einzusetzen, um derartigen Last- und Temperaturanforderungen gerecht zu werden.
Eine andere Annäherung an dieses Problem ist die Verdünnung an den Wänden eines herkömmlichen, aus Stahl oder Eisen hergestellten Kolbenbolzens, wie sie vor kurzem in US-Patent Nr. 4,712,941, das an Emmer erteilt und an die Chrysler Motors Corporation übertragen wurde, sowie in dem an Milke erteilten und auf Kolbenschmidt übertragenen US-Patent Nr. 4,756,240 beschrieben wurde. Alternativen dieser Art erfüllen im allgemeinen die meisten der Anforderungen hinsichtlich Gewicht und Widerstandsfähigkeit, aber sie können heutzutage für ungeeignet erachtet werden, da die Herstellungsverfahren zu kompliziert und daher sehr kostspielig sind.
Die DE-A-38 26 746 offenbart einen Kolbenbolzen für einen zweiteiligen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wichtiger als dies ist die Tatsache, daß die bekannten, früheren Vorschläge zu keiner bestimmten Widerstandsfähigkeit führen, die sich eng der Kräfteverteilung über die Länge des Kolbenbolzens annähert, welche sich deutlich von der unterscheidet, die in ähnlichen Anordnungen vorherrscht, welche monolithische Kolben einsetzen, was zu unnötig schweren und ungeeigneten Bolzen führt, wie nachfolgend gezeigt werden wird.
Die Anmelderin hat einen Kolbenbolzen mit einer neuen und charakteristichen Bauweise entwickelt, der von leichtem Gewicht und dennoch sehr widerstandsfähig sowie zum Verbinden der Teile eines gelenkigen oder zweiteiligen Kolbens und zum Ankoppeln des Kolbens an eine Pleuelstange in einem Verbrennungsmotor einsetzbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die besondere Bauweise des erfindungsgemäßen Kolbenbolzens für einen zweiteiligen Kolben ist in Anspruch 1 dieses Patentes definiert.
Diese besondere Bauweise verleiht dem Kolbenbolzen eine selektive Widerstandsfähigkeit, die dem Biegemoment und der Scherkraft nahekommt, die von den Bolzenaugen des Kolbens, dem Kolbenmantel und auch von der Pleuelstange ausgeübt werden, und ergibt daher einen Kolbenbolzen, der leicht und doch sehr widerstandsfähig ist und der sich zur Herstellung bei wettbewerbsfähigen Kosten eignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innenendfläche an jedem Bolzenende geneigt und legt eine kegelstumpfförmige Fläche fest, deren größere Basis mit der benachbarten Endfläche des Bolzens zusammenfällt und die die Ölaufnahme von der Zylinderwand in das Innere des Bolzens zuläßt, wodurch die Kühlung des Bolzens verbessert wird. Diese bessere Kühlwirkung tritt intensiver in Erscheinung, wenn der Endrand jeder Innenendfläche mit dem benachbarten äußeren Endrand des Bolzens so zusammenfällt, daß die radiale Dicke der entsprechenden Endfläche des Bolzens gegen Null geht. Bei den Gelenkkolben führt der untere Abschnitt oder Mantel in bezug auf den oberen Abschnitt des Teils unabhängige Bewegungen aus, und der Mantel wird daher auch allen vom Bolzen ausgeübten Kräften unterworfen werden, wenn keine Möglichkeit besteht, diese Kräfte im gesamten oberen Abschnitt zu verteilen. Mit der Reduzierung der Masse, die man durch Abnehmen von Material vom Innendurchmesser des vorliegenden Bolzens erhält, wird eine deutliche Verringerung der durch den Bolzen auf den Mantel ausgeübten seitlichen Trägheitskraft erzielt und somit die Verformung des Mantels verringert. Dies ermöglicht eine bessere Führung des oberen Teils durch den Mantel und eine bessere Einstellung der Anordnung im Inneren des Zylinders durch kleinere Abstände, die bekanntlich, neben anderen Effekten, auch eine Verminderung des Motorgeräusches verursachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht einer Anordnung mit einem Kolbenboden, der über einen Kolbenbolzen sowohl mit einem Mantel als auch mit einer Pleuelstange verschwenkbar verbunden ist,
Fig. 1A eine vergrößerte Darstellung eines Endabschnittes des Kolbenbolzens aus Fig. 1, und
Fig. 2 den Kolbenbolzen aus Fig. 1 und ein Diagramm, das die Verteilung der entlang seiner Längsseite entstehenden Kräfte darstellt.

Beste Art der Ausführung der Erfindung

Bei der Betrachtung der Zeichnungen ist zu beachten, daß einige der oben erwähnten Teile um der Klarheit willen nicht vollständig dargestellt sind und gleiche Teile gleiche Bezugsziffern aufweisen.
Fig. 1 zeigt eine bewegliche Anordnung 100 mit einem Kolbenboden 10, der über die Bolzenaugen 50 sowohl mit einem Kolbenmantel 20 als auch mit einer Pleuelstange 30 durch einen Kolbenbolzen 40 verschwenkbar verbunden ist. Die Bolzenaugen 50 sind mit Gleitmitteln 51 versehen, die so zu einem Paar Mantelöffnungen 21 ausgerichtet sind, daß eine Unabhängigkeit der Bewegungen der Teile der Anordnung 100 gegeben ist.
Entlang der Verschiebebahn der Anordnung 100 in dem (nicht dargestellten) Zylinder wird der Kolbenbolzen 40 verschiedenen Kräften ausgesetzt, deren Resultierende sich, wie im Diagramm der Fig. 2 dargestellt, über seine Länge hinweg ändert. Die resultierende Kraft besteht hauptsächlich aus einer beträchtlichen Längskraft, die parallel zur geometrischen Achse B des Kolbens wirkt und von der Pleuelstange 30 sowie den Bolzenaugen 50 infolge der Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches über dem Kolbenboden 10 und infolge von Seiten- und Trägheitskräften, die senkrecht zu der geometrischen Achse A des Bolzens 40 und der Achse B des Kolbens 10 wirken, ausgeübt wird, wobei diese Kräfte durch die Kinetik und Dynamik der Anordnung 100 erzeugt werden, wenn der (nicht dargestellte) Motor läuft.
Im Gegensatz zu Anordnungen, die Kolben mit einer monolithischen Struktur aufweisen, wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Seiten- und Trägheitskräfte, die auf den Kolbenbolzen 40, insbesondere auf seine zwischen dem Abschnitt der äußeren Hälfte der Bolzenaugen 50 und dem Mantel 20 eingeschlossenen Endabschnitte, einwirken, aufgrund der Unabhängigkeit der Bewegungen des Kolbenbodens 10 relativ zum Kolbenmantel 20 und zur Pleuelstange 30 unbedeutend sind, so daß das resultierende Biegemoment und die resultierende Scherkraft auf diese Abschnitte des Kolbenbolzens 40 eine maximale Größe von ungefähr 8-15% der in Längsrichtung auf den Kolben wirkenden Kräfte darstellen.
Dies ist deutlicher im Diagramm der Fig. 2 zu sehen, das die Kurve der resultierenden Kräfte zeigt, wobei die Radialkraft in Längsrichtung, das Biegemoment und die Scherkraft auf den Bolzen 40 ausgeübt werden. Es ist wichtig, festzustellen, daß eine derartige Kräfteverteilung für eine Gelenkkolbenanordnung, ungeachtet des in dieser montierten Bolzens, charakteristisch ist.
Im Diagramm der Fig. 2 geben die Ziffern 60, 70 und 80 die Änderung des Biegemomentes und der Seitenkraft aufgrund von bei laufendem Motor auf die Endabschnitte des Kolbenbolzens 40 einwirkenden Seitenkräften an, während die Ziffern 61, 71 und 81 die Längskraft und das Biegemoment angeben, die unter denselben Bedingungen durch die Längskraft verursacht werden. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß sich die Kräfteverteilung in der beweglichen Anordnung 100 sehr von der unterscheidet, die in ähnlichen beweglichen Anordnungen mit monolithischen Kolben vorzufinden ist. Besonders deutlich ist dieser Unterschied im einzelnen an den mittleren Abschnitten des Bolzens 40, und zwar in den Bereichen, die dem Kurvental 71 entsprechen, in dem die Kräfte im Vergleich zu den Peaks 61 und 81 nicht deutlich ansteigen, wie dies bei Bolzen für monolithische Kolben der Fall ist. Aus dem Diagramm der Fig. 2 ist ebenfalls ersichtlich, daß an den Endabschnitten des Bolzens 40 die Größe der Kräfte an den Punkten 60, 70 und 80 im Vergleich zu denen an den Punkten 61, 71 und 81 der mittleren Abschnitte unbedeutend ist. Dieses Phänomen tritt auf, weil die Endabschnitte des Kolbenbolzens 40, insbesondere zwischen der äußeren Hälfte der Bolzenaugen 50 und dem Mantel 20, ausschließlich Trägheits- und Seitenkräften ausgesetzt sind, die von der Wirkfläche E3 der Mantelöffnung 21 aufgrund des Gewichtes des Mantels 20 zusammen mit den aufeinanderfolgenden Kippbewegungen der Pleuelstange 30 ausgeübt werden, wenn sich die bewegliche Anordnung 100 bei (nicht dargestelltem) laufendem Motor bewegt.
Folglich wird die vom Kolbenboden 10 aufgenommene Längskraft aufgrund der Unabhängigkeit der Bewegungen der Teile der beweglichen Anordnung 100 nicht auf den Kolbenbolzen 40 an dessen Endabschnitten übertragen.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wandendabschnitte mit verringerter Dicke verleihen dem Kolbenbolzen 40 eine selektive Widerstandsfähigkeit, die sich dem Biegemoment und der Scherkraft, welche von den Bolzenaugen 50, dem Kolbenmantel 20 und der Pleuelstange 30 ausgeübt werden, annähert.
Vorteilhafterweise erhält man die Verringerung der Wanddicke an den Enden des Bolzens 40 durch die gezielte Abnahme von Material von den Innenflächen des rohrförmigen Bolzens.
Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt der Kolbenbolzen 40 eine rohrförmige Gestalt mit einer einzigen zylindrischen Außenfläche 41 und Innenflächen mit einer mittleren zylindrischen Fläche 42, die axial so verläuft, daß ihre Endränder von den entsprechenden Enden des Bolzens 40 entfernt und axial außerhalb der Bereiche des Bolzens 40 verlaufen, die höheren Biege- und Scherkräften ausgesetzt sind, welche von den Bolzenaugen 50 und der Pleuelstange 30 erzeugt werden, und mit zwei Enddrehflächen 43, 44, die gerade oder im wesentlichen gerade Mantellinien aufweisen, welche den Innenflächenabschnitt des Bolzens zwischen jedem Endrand der mittleren zylindrischen Fläche 42 und dem benachbarten Bolzenende festlegen.
Beide Endflächen 43, 44 umfassen eine erste Endfläche 43, die vom benachbarten Endrand der mittleren zylindrischen Fläche 42 aus so verläuft, daß sie eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Bolzens 40 bewirkt, und deren gegenüberliegender Endrand dergestalt ist, daß sie, üblicherweise durch einen kleinen, gekrümmten Oberflächenabschnitt 46, in eine zweite Endfläche 44 übergeht, die zur benachbarten Endfläche 45 des Bolzens 40 so geneigt verläuft, daß eine zusätzliche, fortschreitende Vergrößerung des Innendurchmessers des Kolbens 40 auftritt.
Jede erste Endfläche 43 ist in einem zur äußeren Hälfte der Stützfläche der Bolzenaugen 50 und der Innenwand 23 des Mantels 20 radial ausgerichteten Abschnitt des Bolzens 40 vorgesehen, und jede zweite Endfläche 44 ist radial zur wirksamen Stützfläche E3 der entsprechenden Mantelöffnung 21 ausgerichtet.
Gemäß einer Analyse der Ergebnisse von Versuchen, die auf einem Prüfstand im Zusammenhang mit mathematischen Studien entwickelt wurden, wurde gezeigt, daß eine günstige Bedingung, dem Biegemoment und der Scherkraft bei minimalem Gewicht des Bolzens 40 zu widerstehen, gegeben ist, wenn die erste Endfläche 43 entsprechend der Neigung eines Winkels α, der 0 bis 45 Grad betragen kann, zur Längsachse des Kolbens angeordnet ist und eine Längserstreckung E1 von 0,5 bis 3,5% des Kolbendurchmessers aufweist, wobei die zweite Endfläche 44 um einen Winkel β, der 45 bis 90 Grad betragen kann, zur Längsachse des Kolbens geneigt ist, so daß, wenn a seinen Maximalwert aufweist, β im Minimum vorliegt, und umgekehrt. Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Endfläche 43 eine Längserstreckung E1 von 0,5 bis 3,5% des Kolbendurchmessers und die zweite Endfläche 44 eine Längserstreckung E2 aufweist, die gleich oder größer derjenigen der wirksamen Stützfläche E3 der Mantelöffnung 21 ist, wenn sich die erste Endfläche 43 nahe der äußeren Hälfte der Stützfläche der Bolzenaugen 50 befindet. Die radiale Dicke der Endfläche 45 des Bolzens 40 sollte so bemessen sein, daß das Zurückhalten des Bolzens 40 durch einen (nicht dargestellten) Sicherungsring, der in eine Umfangsnut 25 nahe der Außenwand 22 des Mantels 20 eingesetzt wird, gewährleistet und außerdem der Ölfluß von der Zylinderwand in das Innere des Bolzens 40 sichergestellt ist.
Ferner ist festzustellen, daß beide Endflächen 43, 44 von einer einzigen konischen Fläche festgelegt werden können, deren größere Basis an der entsprechenden Endfläche des Bolzens 40 festgelegt ist. Da die hier für die Endabschnitte des Bolzens 40 offenbarte Ausführungsform eine deutliche Gewichtserniedrigung bewirkt, ist es möglich, die Mittelabschnitte des Bolzens 40 mit einer konstanten Wanddicke auszubilden, die sich besser mit der leichten Verringerung der Längskraft in den Bereichen verträgt, die den Ziffern 61, 71 und 81 entsprechen, und die eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung zuläßt.

Claims

1. Kolbenbolzen für einen zweiteiligen Kolben, mit einer rohrförmigen Gestalt, die eine einheitliche zylindrische Außenfläche mit Endabschnitten besitzt, die auf entsprechenden Öffnungen eines Mantelabschnitts des Kolbens aufliegen und auf die Biege- und Scherkräfte einwirken, welche während des Kolbenbetriebs von den hohlen Bolzenaugen eines Kolbenbodenabschnitts und von einer Pleuelstange erzeugt werden, die um den Bolzen herum montiert sind, und mit Innenflächen mit unterschiedlichen Durchmessern, die folgendes umfassen: eine mittlere zylindrische Fläche (42), die sich axial derart erstreckt, daß ihre Endränder in einem Abstand von den entsprechenden Bolzenenden liegen und axial außerhalb der Bolzenbereiche verlaufen, die höheren Biege- und Scherkräften ausgesetzt sind, welche von den Bolzenaugen (50) und der Pleuelstange (30) erzeugt werden, und zwei Endflächen, die zwischen jedem Endrand der mittleren zylindrischen Fläche (42) und dem benachbarten Ende des Bolzens (40) verlaufen und die teilweise einen entsprechenden Bolzenendabschnitt festlegen, der eine Wanddicke aufweist, die in bezug auf den Bolzenabschnitt, der die mittlere zylindrische Fläche (42) festlegt, verringert ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Endfläche eine erste und eine zweite Enddrehfläche (43, 44) umfaßt, die jeweils eine im wesentlichen geradlinige Mantellinie aufweisen, wobei jede Endfläche radial zu dem entsprechenden Endabschnitt der zylindrischen Außenfläche (41) des Bolzens und zu der axial äußeren Hälfte des jeweiligen Bolzenauges des Mantelabschnitts ausgerichtet ist, und wobei die Wanddicke des entsprechenden Bolzenendabschnittes so bemessen ist, daß sie nur Biege- und Scherkräfte abstützt, die aus Trägheit und aus seitlichen Radialkräften resultieren, wobei jede erste Enddrehfläche (43), die sich vom benachbarten Endrand der mittleren zylindrischen Fläche (42) aus erstreckt, eine Vergrößerung des Innendurchmessers des Bolzens (40) bewirkt, und ihr gegenüberliegender Endrand mit einer zweiten Enddrehfläche (44) zusammenläuft, die sich zur benachbarten Endfläche (45) des Bolzens (40) hin erstreckt.

2. Kolbenbolzen nach Anspruch 1, bei dem jede erste Enddrehfläche (43) an einem Bereich des Bolzens (40) vorgesehen ist, der radial zur äußeren Hälfte der Stützfläche eines der Bolzenaugen (50) ausgerichtet ist, und jede zweite Enddrehfläche (44) radial zur wirksamen Abstützfläche (E3) der entsprechenden Öffnung des Mantels (21) ausgerichtet ist.

3. Kolbenbolzen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Enddrehfläche (43) um einen Winkel α, der 0 bis 45 Grad betragen kann, zur Längsachse des Kolbens geneigt ist und eine Längserstreckung (E1) von 0,5 bis 3,5% des Kolbendurchmessers aufweist, und bei dem ferner die zweite Enddrehfläche (44) um einen Winkel β, der 45 bis 90 Grad betragen kann, zur Längsachse des Kolbens geneigt ist und eine Längserstreckung aufweist, die wenigstens gleich der wirksamen Abstützfläche (E3) der Öffnung (21) des Mantels ist, und wobei, wenn α seinen Maximalwert aufweist, β im Minimum vorliegt, und umgekehrt.

4. Kolbenbolzen nach Anspruch 3, bei dem der Winkel α etwa 15 Grad und der Winkel β ungefähr 70 Grad beträgt.

5. Kolbenbolzen nach Anspruch 3, bei dem der Endrand jeder zweiten Enddrehfläche (44) im wesentlichen mit dem äußeren Rand der benachbarten Endfläche des Bolzens (40) zusammenfällt.