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Kolben für langsamlaufende Radialkolbenmotoren Die Erfindung betrifft
Kolben mit Kolbenring (en) und mit auf eine Kurbelwelle wirkenden Pleueln und voller
oder teilweises hydrostatischer Entlastung für einen langsaiaufenden Kolbenmotor
in Radialbauweise zur Verwendung mit Druckmedien wie z.fl.
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Öl, wobei die Druckmittelzufuhr zu den Entlastungsflächen der Pleuel
bzw. Kolben durch die Kolben erfolgt.
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Es ist Ziel der Erfindung, einen Kolben zu schaffen der bei gelegentlich
grob verschmutztem Ü eine weitgehend störungsfreie Gleiüfturiktion der Pleuel und
der kolben bei weitgehender Viskositätsunabhängigkeit gewhrle1tet.
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Dabei sollen die vorbekannten Schmier- und hydrostatischen Entlastungsfunktionen
an dem zum Kolben gehörenden Pleuel nach Einführung der erfindungsgemäßes Maßnahme
am Kolben unbeeinflußt bleiben. Ferner ist es Ziel der Erfindung die erfindungsgemäße
Maßnahme so durchzuführen, daß weitgehend unabhängig von Betriebsdauer und Verschmutzung
der Hydraulikanlage die erfindungsgemäße Wirkung eintritt. Auch ist es Ziel der
Erfindung, die erfindungsgemäße Wirkung mit einfachen Mitteln, lnsbesondere ohne
zusätzliche Maschinenteile anzustreben.
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Es ist bekannt, in langsalaufer,den Radialkolbenmaschinen axial durchbohrte
Kolben einzusetzen, solche Kolben gewährleisten avar gute Schmierung der Pleuel,
lassen Jedoch Schmutzpartikel erheblicher Größe an deren Gleitflächen gelangen,
wodurch sich Motorenzerstörungen ergeben. Es ist bekannt, solche Axialbohrungen
in den Kolben mit Filtern zu versehen; solche Filter haben außer den zusätzlichen
Anschaffungskosten jedoch den Nachteil, aus den Axialbohrungen herausgespült und
in das Hydrauliksystem gesaugt zu werden; solche Filter können außerdem verstopfen
und die Pleuelschmierung somit unterbrechen oder erheblich vermindern, woher ebenfalls
Motorenstörungen resultieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Alitteln und
ohne zusä-tzliche Bauelemente das Eindringen von grobem Schmutz in den holben-Pleuel-Bereich
erheblich zu vermindern, wobei die vorbekannten Funktionen von Kolben-Pleuel weitestgehend
unbeeinflußt gelassen werden.
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Die weitgehend unbeeinflußt zu belassenden Funktionen sind: 1. Die
Abdichtung des Kolbens mittels mindestens einem Kolben ring aus metallischem oder
nichtmetallischem Werkstoff.
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2. Die Entwicklung eines möglichst groBen Schmiermitteidruckes an
der Celenkstelle zwischen Kolben und Pleuel.
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3. Die hydrostatische Entlastung des Pleuels über eine Pleuel tasche,
wobei entweder wie vorbekannt der volle Schmiermitteldruck in der Pleueltasche wirken
soll oder wie ebenfalls vorbekannt mittels einer zwischen Kolben und Pleueltasche
befindlichen Düse ein Druckgefälle bewirkt werden soll, das somit von der Stellung
des Kolbens im Zylinder und vom Verschleiß von Kolben und 7.ylinderwand unabhängig
ist.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Oberkante des Kolbens und dessen
Dichtstelle (Kolbenring (e) mindestens eine radiale bohrung angeordnet, durch welche
Schmiermittel bis zum Pleuel geleitet wird. Eine solche radiale bohrung kann von
einer ringnut im kolben ausgehen. Dadurch wird während der 'xolbenbewegung an der
kolbenoberkante grober Schmutz abgestreift und kann lediglich in der Größenordnung
des Spieles zwischen Kolben und Zylinder in das Pleuel gelangen. Gleichzeitig wird
das Spiel zwischen kolben und Zylinder so abgestimmt und/oder die Ivadialbohrung;
so in eine Ringnut gelegt, die mit der Ringnut des ersten Kolbenringes identisch
sein kann, daß in der Radialbohrung praktisch viskositätsunabhängig immer der volle
druck wie an der Oberseite des Kolbens vorhanden ist. Dadurch herrscht an der Gelenkverbindung
zwischen
Kolben und Pleuel praktisch immer der volle Gldruckund
in der I«leueltasche herrscht immer der durch Zqflo eine Drossel vorgeebene, zum
Aufschuimmen des Pleuels erforderliche etwas verminderte hochdruck, der jeweils
unabhängig von Kolbenstellung und Verschlciß des Kolbens und Zylinders ist bzw.
herrscht dadurch in der G'ltasche bei Ausführung ohne Drosselelement immer der volle
Öldruck. Die über den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand erfolgende Ölfilterung
gewährleistet auf diese Weise immer volle Ölschmierungda große Schmutzpartikel nicht
bis zur Radialbohrung gelangen und kleine Partikel, die erheblich kleiner als der
Durchmesser der Radialbohrung sind, sich in dieser nich*2efestsetzen können.
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Zweckmäßigerweise soll in der Radialbohrung immer ein Öldruck herrschen,
der möglichst gleich dem auf dem Kolbenboden herrschenden ist. Da längs des Kolbens
ein gewisser Ölstrom fließt, der mit derdritten Potenz der Spaltweite, proportional
der Spaltbreite und umgekehrt proportionalder Spaltlänge im Falle paralleler Flüchen
wächst, gibt es u.a. folgende Realisierungsmöglichkeiten für die Anordnung der Radialbohrung:
1. Ausgehend von einem relativ engen Spalt zwischen Kolben und Zylinder wird mindestens
eine Radialbohrung von einer um den Kolben gelegten Nut ausgehend vorgesehen, so
daß die Spaltbreite relativ groß ist und ein Drosseleffekt praktisch kaum eintritt,
In weitcrer nlodifikation der Erfindung kann die Radialbohrung auch von der ersten
Kolbenringnut ausgehen, da der eingelegte Kolbenring an die druckabgewandte Seite
gepreßt wird und druckseitig sowie unter dem Kolbenring praktisch voller (i'ldruck
herrscht, d.h. auch in der Radialbohrung.
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In weiterer Modifikation der Erfindung wird die von der Kolbenbodenseite
her gesehen erste kolbenringnut etwas tiefer als üblich ausgeführt, um eine zwischen
Kolbenring und Nutgrund
mögliche Drosselung des Ölstromes zu vermeiden.
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2 Auch kann die Ringnut, von der mindestens eine Radialbohrung ausgeht,
relativ nahe an den Kolbenboden gelegt werden, um die Dichtspaltlänge gering zu
halten. Ferner ist es möglich, mehrere Radialbohrungen anstelle einer Ringnut vorzusehen.
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3. Des weiteren kann auf eine Ringnut auch verzichtet werden, wenn
dem Kolben im Zylinder genügend Spiel gegeben wird und mehrere Radialbohrungen vorgesehen
werden, um im Falle außermittiger Kolbenlage mindestens eine Bohrung an einer solchen
Stelle freizugeben, an der ein großer Spaltquerschnitt vorhanden ist.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß trotz
Vermeidung zusätzlicher Teile wie z.B. Filter, die verstopfen oder sich aus der
Befestigung lösen können, grobe Schmutzteilchen nicht mehr an die Gleitflächen der
Pleuel gelangen, daß das zur Schmierung erforderliche Öl über den Spalt zwischen
Kolben und Zylinder und somit mittels des sich nicht zusetzenden Kolbenspaltes gefiltert
wird und daß dabei die vorbekannten vorteilhaften Schmier- und hydrostatischen Entlastungsverhältnisse
der Pleuel unveritndert bleiben.
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Die Erfindung nicht begrenzende Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen
schematisch dargestellt: Es zeigen: Fig. 1 Einen Kolben mit einem z.B. nichtmetallischen
Kolbenring, Kolbenbolzen und hydrostatisch entlastetem Pleuel mit Drossel zur Verwendung
in einem druckmittelbetriebenen, langsamlaufenden Radialkolbenmotor.
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Fig. 2 Einen Kolben mit mehreren z.B. metallischen Kolbenringen, und
hydrostatisch entlastetem Pleuel mit Kugelgelenk zur Verwendung in einem druckmittelbetriebenen,
langsamlnufenden Radialkolbenmotor.
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Fig. 3a Ausschnitt "A" nach Fig. 2, darstellend die Abdichtfunktion
eines Kolbenringes an einer Zylinderwand und den 01-durchfluß von der Kolbenbodenseite
über den Spalt zwischen Kolben und Zylinder, über den Spalt zischen Kolbenring und
Kolben druckseitig, über den Spalt zwischen Kolben und Kolbenring an dessen Innendurchmesser
und über die Radialbohrung bis zu den Gleitflächen des E>leuels, Figie auf einen
Kolbenring gemäß Fig. 3a wirkenden-Eff:e,ktivdrücke.
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Die Wirkungsweise eines Kolbens mit Pleuel ist folgende: Gemäß lvig.
1 wirkt im Zylinderraum So des S.'otores eine Druck flüssigkeit, die auf den Kolben
1 eine Kraft ausübt, welche über den Kolbenbolzen 6 auf das Pleuel 10 und von diesem
auf den lixzenter einer Kurbelwelle übertragen wird, die somit ein Drehmoment an
einen Verbraucher abgeben kann.
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Das Pleuel lo glcitet also direkt auf dem Kurbelexzenter. Wegen der
relativ hohen Kolbenkraft und der relativ hohen Gleitgeschwindigkeit des Pleuelschuhes
21 muß dieser hydrostatisch so entlastet werden, daß die vom Kolben ausgehende Axialkraft
im wesentlichen entgegengesetzt gleich groß der vom Pleuelschuh wirkenden Kraft
ist und lediglich eine zum Abdichten des Pleuelschuhes auf der Kurbelwelle erforderliche
Überschußkraft vom Kolben wirkt. Gleichzeitig soll im Pleuelauge eine möglichst
große hydrostatische Entlastungskraft wirken, um auch hier die Reibleistung klein
zu halten.
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Zu diesem Zwecke wird von einer Ringnut 3 ausgehend, die wegen des
relativ breiten und relativ kurzen Ringspaltes 14 praktisch den
im
Zylinderraum 20 herrschenden Druck erhält, zumal über den Kolbenring 4 nur wenig
Druckmedius entweichen kann, eine 12adialbohrung 2 in dem Kolben 1 angeordnet. Der
in Radialbohrung 2 herrschende Druck wird über Bohrung 5 des Kolbens in Bohrung
7 des mittels Stift 15 im Kolben gesicherten Kolbenbolzens 6 und von dort in die
Cltascle 8 des Pleuelauges geleitet. Leber Bohrung 9 im Pleuel 1o gelangt dieser
Druck zur Drosselstelle 11. In dieser wird der Druck auf ein zum Aufschwimmen des
Pleuels erforderliches Niveau gedrosselt und in die Tasche 12 des Pleuels geleitet.
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Gemäß Fig. 2 ist die ringnut 3 ersetzt durch die icolbenringnut 3a
von der die Radialbohrung 2 ausgeht. Da die Drossel 11 gemäß Fig. 1 fortgelassen
worden ist, herrscht in der Pleueltasche 12 gemäß Fig. 2 praktisch der volle Öldruck.
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Der in Fig. 2 bezeichnete Kolbenringausschnitt "A" ist in Fig. 3a
detailliert gezeigt. Das Abdichtprinzip des Kolbenringes 4 an der Zylinderwand 16
hat die in Fig. 3b gezeigten Kraftwirkungen am Kolbenring 4 zur Folge. Dadurch ergibt
sich der in Fig. 3a gezeigte, weitgehend drosselfreie Durchfluß des Druckmediums
bis zur Radialbohrung 2.
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Sofern grobe Schmutzpartikel in Entlastungstasche 8 bzw. 8a oder 12
gelangen, werden die seitlichen Abdichtflächen der taschen in Laufrichtung aufgerissen.
Infolgedessen tritt ein relativ großer Durchfluß an Druckmedium ein. Abgeaehenvon
unerwünscht hohem Leckölanfall, der Alotorenausfälle verursachen kann, werden nun
die Drosselwiderstände über Spalt 14 und Bohrungen 2, 5, 7 bzw. 9 wirksam. Damit
ist die hydrostatische Entlastung zumindest zum Teil unwirksam, und es treten hohe
mechanische Reibleistungen auf, die Fresser an den Gleitflächen und somit Motorenzerstörungen
zur Folge haben.
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Solche 11otorenzerstörungen können auch dadurch auftreten, daß
die
Düse 11 gemäß Fig. 1 durch grobe Schmutzpartikel ganz oder teilweise verstopft ist,
womit die hydrostatische Entlastung teilweise oder ganz aufgehoben ist.
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Die Filterung über Spalte 14 des in die Entlastungstaschen 8 bzw.
8a oder 12 gelangenden Druck-ediums bewirkt Jedoch, daß nur kleinere Schmutzpartikel
an die Dichtflächen oder an die Drossel 11 gespült werden. Wenn das System richtig
ausgelegt und insbesondere die !jähe des Spaltes 14 richtig gewählt ist, handelt
es sich aber um solche Partikel, welche die Dichtflächen der Drucktaschen nicht
oder nur so geringfügig beschädigön können, daß diese nach kurzer Zeit wieder einlaufen.
Außerdem kann die Düse II nicht mehr verstopfen.
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Mittels der Erfindung werden also in erheblichem Umfange Ausfälle
von langsamlaufenden Radialkolbenmotoren vermieden, die deswegen besonders gefährdet
sind, weil sie zumeist unter besonders ungünstigen Betriebsbedingungen (z.n. in
Baumaschinen) auch in Jiinblick auf Verschmutzung arbeiten müssen.