DE19821805C2 - Verbindung zwischen einem Kolben und einem Pleuel einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindung zwischen einem Kolben und einem Pleuel einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Verbindung ist aus der DE 37 33 600 A1 bekannt.

Die dort dargestellte Verbindung weist jedoch einige gravierende Nachteile auf. Zum einen ist die an dem Pleuel angebrachte, aus zwei Teilen bestehende Verbin­ dungseinrichtung zum Aufnehmen der mit dem Kolben ver­ bundenen Kugel über ihre gesamte Höhe sehr breit aus­ gebildet, wodurch das Pleuel und somit auch die gesam­ te Brennkraftmaschine höher konstruiert werden müssen, damit das Pleuel nicht an den Wangen der Kurbelwelle anschlägt. Diese Breite der Verbindung wird durch den sehr dick ausgebildeten Schrumpfring, der zum Zusam­ menhalten der beiden Schalenteile dient und zum Auf­ nehmen der hohen Kräfte eine große Dicke aufweisen muß, noch weiter erhöht.

Zum anderen ist die bei dieser Verbindung vorgesehene Kugel relativ klein ausgebildet, was zu einer höheren Flächenpressung führt, wodurch letztendlich die Scha­ lenteile noch dicker ausgebildet sein müssen.

Des weiteren sind die bei der DE 37 33 600 A1 vorgese­ henen Stifte bzw. Schrauben zur Verbindung der beiden Schalenteile sehr nachteilig, da sie den Kraftfluß durch das Pleuel stark umlenken und die Festigkeit desselben schwächen. Durch den Aufbau der Schale mit einem festen und einem anzuschraubenden Teil wird die­ ser Kraftfluß noch stärker von seinem idealen, symme­ trischen Verlauf umgelenkt. Die einzige Alternative ist in diesem Fall ein größeres Pleuel, was zu einer noch größeren und schwereren Brennkraftmaschine führt, insbesondere im Hinblick auf die rotierenden Massen.

Weitere Kugelverbindungen zwischen Kolben und Pleuel von Brennkraftmaschinen sind aus der DE 23 44 951 A1, der US 55 60 332 A, der DE 27 39 721 A1, dem DE-GM 19 55 254, der US 29 64 365 A, der US 14 49 034 A, der DE 35 04 410 A1 sowie der DE 36 21 421 C1 bekannt.

Alle in diesen Schriften beschriebenen und dargestell­ ten Verbindungen weisen jedoch ähnliche Nachteile wie oben beschrieben auf und können zu deren Beseitigung nichts beitragen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindung zwischen einem Kolben und einem Pleuel ei­ ner Brennkraftmaschine zu schaffen, bei welcher eine bessere Krafteinleitung vom Kolben auf das Pleuel und somit eine gleichmäßigere Bauteilverformung bei Bela­ stung gegeben ist. Zusätzlich soll durch eine solche Verbindung eine Brennkraftmaschine mit einer möglichst geringen Höhe erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die beiden Schalenhälften weisen jeweils zwei gleich­ artige Ausnehmungen auf, die bei beiden Schalenhälften in jeweils gleicher Art und Weise sowohl den Vorsprung des Kolbens als auch den Vorsprung des Pleuels umgrei­ fen. Somit kann sich durch die erfindungsgemäße Ver­ bindung ein gleichmäßiger und symmetrischer Kraftfluß durch das Pleuel in den Kolben ergeben. Durch diesen sehr gleichmäßigen Kraftfluß kann das Pleuel sehr viel kleiner und somit leichter als bei bekannten Lösungen ausgebildet werden.

Durch den vergleichsweise großen kugelförmigen Vor­ sprung des Kolbens ergibt sich eine geringere Flächen­ pressung, wodurch die Schalenhälften im Bereich ihrer für die Kugel vorgesehenen Ausnehmungen relativ dünn ausgebildet sein können. Die relativ geringe Deckhöhe zwischen dem kugelförmigen Vorsprung und den Ausneh­ mungen der Schalenhälften führt zu einer geringeren Gesamtlänge des Pleuels. Durch die geringe Flächen­ pressung können außerdem höhere Gaskräfte als bisher üblich übertragen werden.

Durch die erfindungsgemäße Verbindung können der Kol­ ben und das Pleuel des weiteren eine sehr einfache Kontur aufweisen, was zu einer einfachen Fertigung und somit zu niedrigen Fertigungskosten führt. Weiterhin ergeben sich durch bessere Werkstoffausnutzung gerin­ gere bewegte Massen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig darge­ stellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen einem Kolben und einem Pleuel in einer teilweisen Schnittansicht; und

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Kolben 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine, welcher über eine Verbindungseinrichtung 2 mit einem Pleuel 3 ver­ bunden ist. In bekannter Weise führt der Kolben 1 da­ bei eine oszillierende Bewegung innerhalb eines nicht dargestellten Zylinderkurbelgehäuses der Brennkraftma­ schine durch.

Das Pleuel 3 weist an seiner dem Kolben 1 abgewandten Seite eine Bohrung 4 auf, über welche es mit einer in Fig. 2 teilweise dargestellten Kurbelwelle 5 verbunden ist. Dazu wurde von dem Pleuel 3 im Bereich der Boh­ rung 4 ein Teil 6 abgetrennt, welches zur Anbringung des Pleuels 3 an der Kurbelwelle 5 mit Schrauben 7 wieder mit dem Pleuel 3 verbunden ist. Das Abtrennen des Teiles 6 kann durch bekannte Verfahren, wie z. B. Sägen oder Cracken, durchgeführt worden sein.

Zur Verbindung mit dem Kolben 1 über die Verbindungs­ einrichtung 2 weist das Pleuel 3 an der der Bohrung 4 abgewandten Seite einen Vorsprung 8 auf. Der Vorsprung 8 erstreckt sich senkrecht zu der Achse der Bohrung 4 und ist auf beiden Seiten des Pleuels 3 über den kreisförmigen Querschnitt desselben nach außen ge­ führt, wodurch er im Querschnitt etwa die Form eines abgerundeten Rechtecks aufweist.

Der Kolben 1 ist an seiner Innenseite bzw. in seinem Inneren teilweise hohl ausgebildet, wobei am Inneren ein kugelförmiger Vorsprung 9, im folgenden kurz Kugel 9 genannt, angebracht ist.

Die Kugel 9 des Kolbens 1 ist mit dem Vorsprung 8 des Pleuels 3 über die Verbindungseinrichtung 2 dadurch verbunden, daß die Verbindungseinrichtung 2 zwei sym­ metrische Schalenhälften 10 aufweist, welche mit je­ weils zwei Ausnehmungen 11, 12 versehen sind. Die er­ ste Ausnehmung 11 ist dabei jeweils an den Vorsprung 8 des Pleuels 3 angepaßt und die zweite Ausnehmung 12 ist jeweils kugelförmig ausgebildet und somit an die Kugel 9 des Kolbens 1 angepaßt.

Somit umgreifen die beiden Ausnehmungen 11 der beiden Schalenhälften 10 gemeinsam den Vorsprung 8 des Pleu­ els 3 klammerartig, und die beiden Ausnehmungen 12 der beiden Schalenhälften 10 umgreifen gemeinsam die Kugel 9, wodurch sich eine formschlüssige Verbindung des Pleuels 3 mit dem Kolben 1 über die Verbindungsein­ richtung 2 ergibt.

Die beiden zweiten Ausnehmungen 12 umschließen die Kugel 9 an ihrem gesamten Umfang, wohingegen die bei­ den ersten Ausnehmungen 11 den Vorsprung 8 nur jeweils in demjenigen Bereich umschließen, wo dieser über den kreisförmigen Querschnitt des Pleuels 3 hinauskragt. Somit sind die beiden Schalenhälften 10 im Bereich der beiden Ausnehmungen 11 in einer Richtung relativ schmal ausgebildet. Dadurch können, wie in Fig. 2 dar­ gestellt, an der Kurbelwelle 5 angebrachte Kurbelwan­ gen 13 an den Schalenhälften 10 vorbeilaufen, wodurch letztendlich das Pleuel 3 kürzer ausgeführt werden kann.

Um die beiden Schalenhälften 10 kraftschlüssig mitein­ ander zu verbinden und somit den Kolben 1 an dem Pleu­ el 3 so anzubringen, daß die Verbindung auch höheren Betriebskräften standhält, sind die beiden Schalen­ hälften 10 von einem Preßring 14 umschlossen, welcher mit Preßsitz auf den Schalenhälften 10 angebracht ist. Dieser Preßsitz ist dabei einerseits so ausgeführt, daß durch die von ihm aufgebrachte Kraft der Kolben 1 mit dem Pleuel 3 sicher verbunden ist, andererseits jedoch so, daß die Kugel 9 innerhalb der kugelförmigen Ausnehmung 12 drehbar ist. Dadurch ist letztendlich der Kolben 1 gegenüber dem Pleuel 3 drehbar gelagert.

Somit kann der Kolben 1 beim Betrieb der Brennkraftma­ schine an nicht dargestellten oberen und unteren Tot­ punkten des Kolbenhubs eine Rotationsbewegung um seine Längsachse ausführen, wodurch der Kolben 1 nicht wie ansonsten üblich kurzzeitig stillsteht und somit eine nahezu hydrodynamische Schmierung gegenüber einer nicht dargestellten Laufbahn des Zylinderkurbelgehäu­ ses an diesen Punkten erreicht werden kann. Dadurch ist es möglich, den sogenannten Zwickelverschleiß der Zylinderlaufbahn gegenüber bekannten Lösungen stark zu verringern.

Die Drehung des Kolbens 1 kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. Es ist einerseits denkbar, daß Einlaßkanäle eines nicht dargestellten Zylinder­ kopfes so ausgebildet sind, daß der Kolben 1 beim Er­ reichen seines oberen Totpunktes durch das einströmen­ de Kraftstoff/Luftgemisch verdreht wird. Andererseits ist auch eine Zwangsführung über eine Nut in der Lauf­ bahn und einem damit zusammenarbeitenden Bolzen in dem Kolben 1 bzw. eine Nut in dem Kolben 1 und einem damit zusammenarbeitenden Bolzen in der Laufbahn denkbar.

Durch die beschriebene symmetrische Verbindungsein­ richtung 2 wird eine zentrische Krafteinleitung vom Pleuel 3 in den Kolben 1 erreicht, was zu einer nahezu symmetrischen Verformung aller beteiligten Bauteile führt. Dadurch kann letztendlich ein sehr geringes und nahezu konstantes Laufspiel des Kolbens 1 gegenüber der Zylinderlaufbahn erreicht werden.

Da sich bei einem symmetrisch aufgebauten Teil wie dem vorliegenden keine unterschiedlichen Wärmeausdehnungen ergeben, können durch die Verbindungseinrichtung 2 somit auch die Probleme bezüglich Wärmeausdehnung, wie bei bekannten Lösungen auftretende Spannungen und Ver­ formungen, beseitigt werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Kolben 1 aus feinkörnigem Kohlenstoff oder auch aus einem keramischen Werkstoff, wohingegen die Zylinderlauf­ buchse aus Keramik, z. B. Siliziumkarbid, ausgebildet ist. Diese für die genannten Bauteile nicht unbedingt üblichen, spröden Materialien sind aufgrund der symme­ trischen Krafteinleitung über das Pleuel 3 im vorlie­ genden Fall sehr gut verwendbar und bieten besondere Vorteile bezüglich Wärmeausdehnung und dem damit ver­ bundenen Kolbenlaufspiel.

In nicht dargestellter Art und Weise ist das Pleuel 3 ausgehend von der Bohrung 4 bis zu dem oberen Rand des Vorsprungs 8 mit einer Ölbohrung versehen, welche durch die Schalenhälften 10 durchgeführt ist und in einem Hohlraum 15 der Kugel 9 endet. Dadurch kann der Kolben 1 von innen mit in den Hohlraum 15 fließendem Öl gekühlt werden. Des weiteren kann in nicht darge­ stellter Art und Weise das Öl auch von dem Hohlraum 15 über Ölbohrungen zur Außenseite des Kolbens 1 bzw. zur Zylinderlaufbahn geführt und zur Schmierung verwendet werden.

Claims (11)

1. Verbindung zwischen einem Kolben und einem Pleuel einer Brennkraftmaschine, wobei an der Innenseite des teilweise hohl ausgebildeten Kolbens ein we­ nigstens annähernd kugelförmiger Vorsprung ange­ bracht ist, und wobei der Kolben mit dem Pleuel über eine Verbindungseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung (2) zwei Schalenhälften (10) aufweist, welche mit jeweils wenigstens zwei Ausnehmungen (11, 12) versehen sind, wobei die er­ ste Ausnehmung (11) der ersten Schalenhälfte (10) gemeinsam mit der gleichartigen ersten Ausnehmung (11) der zweiten Schalenhälfte (10) einen an dem Pleuel (3) angebrachten Vorsprung (8) umgreift, und wobei die zweite Ausnehmung (12) der ersten Schalenhälfte (10) gemeinsam mit der gleichartigen zweiten Ausnehmung (12) der zweiten Schalenhälfte (10) den annähernd kugelförmigen Vorsprung (9) des Kolbens (1) umgreift.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalenhälften (10) wenigstens annä­ hernd gleichartig ausgebildet sind.

3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Pleuel (3) sich befindliche Vorsprung (8) auf zwei einander im wesentlichen gegenüber­ liegenden Seiten des Pleuels (3) nach außen ge­ führt ist.

4. Verbindung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenhälften (10) von einem Preßring (14) umschlossen sind.

5. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) in der Verbindungseinrichtung (2) drehbar gelagert ist.

6. Verbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßkanäle in einem Zylinderkopf der Brennkraft­ maschine derart angeordnet sind, daß durch ein einströmendes Kraftstoff/Luftgemisch eine Rotati­ onsbewegung des Kolbens (1) erzeugbar ist.

7. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Vorsprung (9) des Kolbens (1) mit einem Hohlraum (15) versehen ist.

8. Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pleuel (3) eine Bohrung aufweist, welche in Längsrichtung des Pleuels (3) bis zu dem Hohlraum (15) des kugelförmigen Vorsprungs (9) des Kolbens (1) geführt ist.

9. Verbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kugelförmige Vorsprung (9) des Kolbens (1) mit Bohrungen versehen ist, die bis zur Außenfläche des kugelförmigen Vorsprungs (9) geführt sind.

10. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) aus Kohlenstoff oder Keramik be­ steht.

11. Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderlaufbahn für den Kolben (1) aus Kera­ mik besteht.