PISTON SUBASSEMBLY

Abstract: 1. Piston assembly (10), comprising a piston (12) having a cross bore (14) extending therethrough, in which a hollow cylindrical wrist pin (20) is mounted extending through an apertured coupling portion (26) of a connecting rod (24) and having, for its reinforcement, in its bore (22) two press-fitted plugs (42; 44) acting against deformation of said wrist pin (20) and including together with said wrist pin (20) a cavity, whereby a recess (16) extends from the cross bore (14) into said piston (12) for receiving the inner end (28) of said connecting-rod coupling portion (26) and whereby a cut (18) extends from said cross bore (14) to the piston bottom for receiving the outer end (30) of said connecting rod coupling portion (26), characterized by the following features : a) Said plugs (42; 44) are of ceramic material and have apertures (46; 48, 50) for exhausting gasses from the cavity included between said plugs (42; 44) ; b) the axial length of said cut (18) measured in the direction of the cross-bore axis is larger than that of said recess (16) ; c) connecting rod (24) and piston (12) define together two overlap zones (31, 33), each extending outwardly parallel to the cross-bore axis from the outer edge (32, 36) of the inner end (28) of said connecting-rod coupling portion (26) to the wall (34, 38) of said cut (18) ; d) each plug (42; 44) has such an axial length and such an axial position within the wrist-pin bore (22) that it completely spans the corresponding overlap zone (31, 33).

Description: "Kolben-Baugruppe" Die Erfindung betrifft eine Kolben-Baugruppe bestehend aus - einem Kolben mit einer durchgehenden Querbohrung; - einem in die Querbohrung eingesetzten hohlzylindrischen Kolbenbolzen, dessen Aussendurchmesser und Wandungsstärke gross genug sind, um ein Durchbiegen zu verhindern; - einer Kurbelstange mit einem durchbohrten Kupplungsteil, durch das der Kolbenbolzen geführt ist; und - einem in die Bohrung des Kolbenbolzens eingepressten Verstär kungseinsatz. In einer derartigen Baugruppe muss der Kolbenbolzen ausreichend widerstandsfähig gegen.Durchbiegung und sonstige Verformung aufgrund mechanischer Beanspruchungen sein. Eine Axialverschiebung des Kolbenbolzens muss verhindert werden, um ein Fressen des Zylinders zu vermeiden. Einer Durchbiegung und Ovalverformung wird bei einem hohlzylindrisch ausgebildeten Kolbenbolzen durch ausreichend grossen Aussendurchmesser und ausreichend kleinen Innendurchmesser entgegengewirkt. Jedoch führt ein derartig dickwandig ausgebildeter Kolbenbolzen zu einer unerwünschten Gewichtszunahme der Kolben-Baugruppe. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, den hohlzylindrischen Kolbenbolzen durch einen soliden, in ihn einge drückten und dadurch verformten Metalleinsatz zu verstärken (US-Patent 2,770,511). Auch bei dieser Lösung führt der massive Verstärkungseinsatz zu einer Gewichtserhöhung der Kolben-Baugruppe. Ein anderer Lösungsvorschlag für die Verstärkung und Festlegung des Kolbenbolzens sieht einen mit einer Mutter verschraubten Bolzen vor (US-Patent 1,404,654). Dieser Lösungsvorschlag ist teuer, aufwendig im Zusammenbau und führt ebenfalls zu einer wesentlichen Gewichtserhöhung. In dem US-Patent 1,384, 186 ist ein zweiteiliger Kolbenbolzen beschrieben, der aus einer inneren und einer äusseren Buchse besteht. Auch diese Konstruktion ist teuer und benötigt mehrere zusätzliche Montageschritte. Bei anderen Ausführungsvorschlägen finden Verstärkungseinsätze zur Festlegung und Verstärkung des hohlzylindrischen Kolbenbolzens Verwendung. Einen derartigen Vorschlag offenbart das US-Patent 2,260,240. Hier ragen zwei Stopfen in die sich gegen überliegenden Enden des Kolbenbolzens und zwar von mit Gewinde versehenen Bauteilen, die ihrerseits wieder in Gewindebohrungen des Kolbens eingeschraubt sind. Diese Lösung erfordert wegen des Einschraubens der Verstärkungseinsätze einen hohen Montageaufwand Einen anderen Vorschlag enthält das US-Patent 2,797,135. Der Verstärkungseinsatz ist ausdehnbar und weist einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der grösser ist als der des Kolbenbolzens, um diesen im Kolben festzulegen. Bei dem LösungsvorsEhlag gemäss US-Patent 1,887,964 sind zwei massive Scheiben in den hohlzylindrischen Kolbenbolzen eingepresst. Jedoch dienen sie nur zur Verstärkung des Kolbenbolzens in dem Bereich, in dem eine Mutter aufgeschraubt werden soll. Ausserdem ist bei derartigen Lösungsvorschlägen der zwischen den beiden Stopfen eingeschlossene Hohlraum im Kolbenbolzen gasdicht abgeschlossen, so dass aus diesem Hohlraum überhitzte und unter Druck stehende Gase nicht austreten können mit dem Ergebnis, dass ein sich aufbauender Gasdruck zu einer Verschiebung der Stopfen oder sogar zu einem Herausblasen dieser Stopfen führen kann. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kolben Baugruppe zu entwickeln, die einfach, preiswert und vergleichsweise leicht ist, sich einfach montieren lässt und den Austritt von Gasen aus dem Innenraum des Kolbenbolzens zulässt. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Verstärkungseinsatz aus einem Paar keramischer Stopfen besteht, die zwischen sich zusammen mit dem Kolbenbolzen einen Hohlraum einschliessen, aus dem über in den Stopfen vorgesehene Öffnungen Gase nach aussen autreten können, wobei die Stopfen den Kolbenbolzen verstärken und so zusätzlich einer Verformung des Kolbenbolzens entgegenwirken. Dabei ist es zweckmässig, wenn Stopfen und Kolbenbolzen angenähert gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Hierdurch wird auch bei unterschiedlichen Temperaturen ein konstanter Press Sitz sichergestellt. Eine Kolben-Baugruppe mit einer sich von der Querbohrung in den Kolben erstreckenden Ausnehmung zur Aufnahme des inneren Endes des Kurbelstangen-Kupplungsteiles und einem sich von der Querbohrung bis zum Kolbenende erstreckenden Einschnitt zur Aufnahme des äusseren Endes des Kurbelstangen-Kupplungsteiles ist erfindungsgemäss durch folgende zusätzliche Merkmale gekennzeichnet: a) Die in Richtung der Querbohrungsachse gemessene Axiallänge des Einschnitts ist grösser als die der Ausnehmung; b) Kurbelstange und Kolben definieren zusammen zwei Uberlappungs- bereiche, die sich parallel zur Querbohrungsachse jeweils nach aussen von der Aussenkante des inneren Endes des Kurbelstangen Kupplungsteiles zur Wandung des Einschnitts erstrecken; c) jeder Stopfen hat eine solche Axiallänge und innerhalb der Kolbenbolzenbohrung eine solche Axialstellung, dass er den zugeordneten Überlappungsbereich vollständig überbrückt. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung sind zwei als Beispiele dienende Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Kolben-Baugruppe; Figur 2 einen Schnitt gemäss der Linie 2 - 2 in Figur 1 und Figur 3 eine gegenüber Figur 2 abgewandelte Ausführungsform im vergrösserten Massstab im Querschnitt gemäss der Linie 3 - 3 in Figur 1. Eine Kolben-Baugruppe 10 umfasst einen Kolben 12 mit einer durchgehenden Querbohrung 14. Von einem Mittelabschnitt der Querbohrung 14 erstreckt sich eine Ausnehmung 16 in den Kolben 12. In entgegengesetzter Richtung erstreckt sich von der Querbohrung 14 bis zum Kolbenende ein Einschnitt 18 mit einer rechten und linken Seitenwandung 34,38. Die in Richtung der Querbohrungsachse gemessene Axiallänge des Einschnittes 18 ist grösser als die der Ausnehmung 16. Die Querbohrung 14 nimmt einen hohlzylindrischen Kolbenbolzen 20 aus Stahl auf, der in dieser Querbohrung durch nicht dargestellte, an den beiden Enden des Kolbenbolzens angeordnete Sprengringe drehbar gelagert ist. Der Aussendurchmesser des hohlzylindrischen Kolbenbolzens 20 sowie seine Wandungsstärke sind gross genug, um ein Durchbiegen infolge von parallel zur Kolbenachse einwirkenden Kräften zu verhindern. Um jedoch Gewicht einzusparen ist die Wandungsstärke des Kolbenbolzens 20 sehr dünn gehalten, so dass ohne Verstärkungseinsatz eine Ovalverformung des Kolbenbolzens erfolgen müsste. Die Axialbohrung des Kolbenbolzens 20 ist mit dem Bezugszeichen 22 gekennzeichnet. Eine Kurbelstange 24 weist ein durchbohrtes Kupplungsteil 26 auf, durch das der mittlere Abschnitt des Kolbenbolzens 20 geführt ist. Das innere Ende 28 des Kurbelstangen-Kupplungsteiles 26 wird von der vorstehend erläuterten Ausnehmung 16 aufgenommen, während das äussere Ende 30 des Kurbelstangen-Kupplungsteiles 26 von dem ebenfalls bereits erwähnten Einschnitt 18 aufgenommen wird. Der Zusammenhang der gegenseitigen Abmessungen von Kolben 12 und Kurbelstange 24 lässt sich ferner beschreiben durch Definition zweier Überlappungsbereiche 31,33, die sich parallel zur Querbohrungsachse jeweils nach aussen von der Aussenkante 32, 36 des inneren Endes 28 des Kurbelstangen-Kupplungsteiles 26 zur Wandung 34,38 des Einschnitts 18 erstrecken. Dabei wird unter Berücksichtigung des Spiels zwischen Kolben 12 und Kurbelstange 24 bei der Definition dieser Überlappungsbereiche einmal von der grösstmöglichen linken Stellung und zum anderen von der grösstmöglichen rechten Stellung der Kurbelstange ausgegangen. Das äussere Ende 30 des Kurbelstangen-Kupplungsteiles 26 weist eine an dem Kolbenbolzen 20 anliegende Fläche 40 auf, deren Axiallänge parallel zur Kolbebolzenachse grösser ist als die entsprechende Axiallänge der Ausnehmung 16. Die Axiallängen der Ausnehmung 16 sowie des Einschnitts 18 sind grösser als die entsprechenden Breiten des inneren und äusseren Endes 28,30 des Kurbelstangen-Kupplungsteiles 26, so dass sich beidseitig jeweils ein Spalt für ein freies Spiel ergibt. In die Bohrung 22 des Kolbenbolzens 20 sind zwei Stopfen 42,44 eingepresst, die aus keramischem Material wie z.B. einem Siliziumkarbid bestehen können. Jeder Stopfen 42,44 hat eine solche Axiallänge und innerhalb der Kolbenbolzenbohrung 22 eine solche Axialstellung, dass er den zugeordneten Oberlappungsbe- reich 31 bzw. 33 vollständig überbrückt und sich jeweils bis jenseits der Enden dieser Überlappungsbereiche erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform können beide Stopfen 42 die in Figur 1 und Figur 2 dargestellte Form aufweisen. In diesem Fall besteht dann der Stopfen 42 aus einer massiven Scheibe mit einer Axialöffnung 46, durch die Gase aus dem zwischen den beiden Stopfen eingeschlossenen Hohlraum nach aussen entweichen können. Bei einer Alternativlösung können beide Stopfen 44 die ebenfalls in Figur 1 und in Figur 3 dargestellte Form aufweisen. Dann weist jeder Stopfen 44 eine zentrale Nabe 48 auf, von der strahlenförmig mehrere Radialarme 50 ausgehen, die sich gegen die Innenwandung des Kolbenbolzens 20 abstützen. Hier können die Gase zwischen den mit Abstand angeordneten Radialarmen 50 austreten. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumkarbid ähnlich dem von Stahl für den Kolbenbolzen 20 ist, lässt sich ein weitgehend konstanter Presssitz zwischen diesen beiden Teilen über einen weiten Temperaturbereich aufrechterhalten. Durch die bestimmte axiale Anordnung der beiden Stopfen innerhalb des Kolbenbolzens und den gewählten Abstand zwischen den beiden Stopfen sowie durch die gewählte Axiallänge der beiden Stopfen lässt sich eine Ovalverformung des Kolbenbolzens 20 verhindern. Durch diese Anordnung erhält man eine grosse Gewichtseinsparung im Vergleich zu dem Lösungsvorschlag, auf Verstärkungseinsätze vollständig zu verzichten und statt dessen die Ovalverformung des Kolbenbolzens 2O durch eine grössere Wandstärke dieses Kolbenbolzens, also durch einen kleineren Innendurchmesser zu verhindern. Ausserdem weist die neue Baugruppe eine erhöhte Festigkeit auf, da Keramikmaterial wie z.B. Siliziumkarbid eine höhere Steifigkeit aufweist als Stahl.

Claims: Patentansprüche: 1. Kolben-Baugruppe (10) bestehend aus - einem Kolben (12) mit einer durchgehenden Querbohrung (14); - einem in die Querbohrung (14) eingesetzten hohlzylindri schen Kolbenbolzen (20), dessen Aussendurchmesser und Wan dungsstärke gross genug sind, um ein Durchbiegen zu ver hindern; - einer Kurbelstange (24) mit einem durchbohrten Kupplungs teil (26), durch das der Kolbenbolzen (20) geführt ist; und - einem in die Bohrung (22) des Kolbenbolzens (20) einge pressten Verstärkungseinsatz; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Ver stärkungseinsatz aus einem Paar keramischer Stopfen (42;44) besteht, die zwischen sich zusammen mit dem Kolbenbolzen (20) einen Hohlraum einschliessen, aus dem über in den Stopfen vorgesehene Öffnungen (46; 48,50) Gase nach aussen austreten können, wobei die Stopfen (42; 44) den Kolbenbolzen (20) verstärken und so zusätzlich einer Verformung des Kolben bolzens entgegenwirken. 2. Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Stopfen (42;44) und Kolbenbolzen (20-) angenähert gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. 3. Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass jeder Stopfen (42) aus einer massiven Scheibe mit einer Axialöffnung (46) besteht. 4. Kolben-Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass jeder Stopfen (44) eine zentrale Nabe (48) aufweist, von der strahlenförmig mehrere Radialarme (50) ausgehen, die sich am Kolbenbolzen (20) abstützen. 5. Kolben-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Stopfen (42;44) aus einem Siliziumkarbid-Keramikmaterial bestehen. 6. Kolben-Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer sich von der Querbohrung (14) in den Kolben (12) er streckenden Ausnehmung (16) zur Aufnahme des inneren Endes (28) des Kurbelstangen-Kupplungsteiles (26) und einem sich von der Querbohrung (14) bis zum Kolbenende erstreckenden Ein schnitt-(18) zur Aufnahme des äusseren Endes (30) des Kurbel stangen-Kupplungsteiles (26), g e k e n n z e i c h n e t durch folgende Merkmale: a) Die in Richtung der Querbohrungsachse gemessene Axiallänge des Einschnitts (18) ist grösser als die der Ausnehmung (16); b) Kurbelstange (24) und Kolben (12) definieren zusammen zwei Oberlappungsbereiche (31,33), die sich parallel zur Quer bohrungsachse jeweils nach aussen von der Aussenkante (32,36) des inneren Endes (28) des Kurbelstangen-Kupplungsteiles(26) zur Wandung (34,38) des Einschnitts (18) erstrecken; c) jeder Stopfen (42;44) hat eine solche Axiallänge und inner halb der Kolbenbolzenbohrung (22) eine solche Axialstellung, dass er den zugeordneten Überlappungsbereich (31,33) voll ständig überbrückt.

Inventors: LABOUFF, GARY ALAN
Applicants: DEERE & COMPANY
Application year: 1982
Main classification: F16J1
IPC codes: F16J1, F02F3, C07C233