KOLBEN-PLEUEL VERBINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Anordnung zur Befestigung eines Kolbens an einem Pleuel, insbesondere zum Einsatz in Kältemittelkompressoren, bei der ein Kolbenbolzen vorgesehen ist, der in eine senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Kolbenbolzenbohrung um seine Längsachse rotierbar eingeschoben und mit dem kolbenseitigen Endabschnitt des Pleuels verbunden ist, wobei der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels eine axiale Ausnehmung des Kolbens durchsetzt, und der Kolbenbolzen und der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels jeweils einander zugeordnete Passflächen aufweisen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

STAND DER TECHNIK

Zur Befestigung des Kolbenbolzens am Kolben sind unterschiedliche Lösungen bekannt. So ist zumeist eine Kolbenbolzenbohrung im Kolben vorgesehen, in der der Kolbenbolzen gelagert ist. Zur Fixierung des Kolbenbolzens in der Kolbenbolzenbohrung kann etwa ein Spannstift vorgesehen sein, der in eine weitere Bohrung des Kolbens eingesetzt wird, und dabei die Kolbenbolzenbohrung quert . Der Kolbenbolzen verfügt hierzu über eine radiale Bohrung, sodass der Spannstift bei eingesetztem Kolbenbolzen in diese radiale Bohrung eindringt, und so den Kolbenbolzen relativ zum Kolben fixiert .

Zur Verbindung des Kolbenbolzens mit dem Pleuel ist üblicherweise ein Pleuelauge vorgesehen, in das der

Kolbenbolzen eingreift. Da der Kolbenbolzen aufgrund des Spannstiftes fest mit dem Kolben verbunden ist, beschränkt sich die Lagerfläche somit auf die Breite des Pleuelauges. Das bringt den Nachteil einer starken Beanspruchung des Pleuelauges sowie eines erhöhten Verschleißes im Bereich des Pleuelauges mit sich. Außerdem ist man bei dieser Ausführungsvariante hinsichtlich der Baugröße sehr eingeschränkt. Des weiteren sind Varianten, bei denen anstatt des Spannstiftes ein Sicherungsring verwendet wird, bekannt. Dies bringt aber einen weiteren Nachteil mit sich. Anstatt einer Gleitlagerfläche sind bei dieser Variante zwei Gleitlagerflächen vorhanden. Da Gleitlagerflächen aber wesentlich geringer belastet werden können als sonstige Kontaktflächen, führt dies zu einer Vergrößerung des Kolbenbolzens, was durch einen größeren Durchmesser oder eine Längenzunahme bewerkstelligt werden kann. Bei einer weiteren Variante wird das kolbenseitige Pleuelende anstatt des Pleuelauges kugelförmig ausgeführt und in den Kolben eingepresst. Bei dieser Variante kann aber der Kolben in Umfangsrichtung nur mit großem Aufwand und mit geringer Genauigkeit fixiert werden. Insbesondere bei Kolben mit Kolbennase und Saugblattfederfreistellung ist aber große Genauigkeit erforderlich, sodass eine Ausführung des Kolbens mit einer Kolbennase in der Regel nicht möglich ist.

Aus der KR 200106719 ist etwa eine Kolben-/Pleuel-Anordnung bekannt, bei welcher ein Pleuel über ein Pleuelauge mittels Presspassung mit einem im Kolben gelagerten Kolbenbolzen verbunden ist. Auch diese Bauvariante bedingt, dass nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des Kolbendurchmessers zur Lagerung des Kolbenbolzens genutzt werden kann, wobei das Pleuel nicht mit hinreichender Genauigkeit an der Kolbenbolzenlängsachse montiert werden kann.

Aus der WO 2001/033114 Al ist die Möglichkeit eines Zusammenfügens eines in einer Aufnahme im Kolben gelagerten Kolbenbolzens mittels Schweißung, Schraubverbindung, Sintern, Gesenkschmieden oder Guss bekannt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Anordnung zur Befestigung eines Kolbens an einem Pleuel bereitzustellen, das die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die Lagerfläche zwischen Kolben und Pleuel so gestaltet sein, dass Beanspruchungen und Verschleiß minimiert werden. Des weiteren soll eine kleinere Bauweise des Kolbens bei geringerer Anzahl der Bauteile ermöglicht werden. Daraus soll sich idealerweise auch eine einfachere Montage ergeben. In technischer Hinsicht sollen außerdem eine gute Schmierung der Gleitlagerfläche zwischen Kolben und Pleuel sowie eine einfache Fixierung des Kolbens in Umfangsrichtung ermöglicht werden.

Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 verwirklicht. Anspruch 1 bezieht sich hierbei auf eine Anordnung zur Befestigung eines Kolbens an einem Pleuel, insbesondere zum Einsatz in Kältemittelkompressoren, bei der ein Kolbenbolzen vorgesehen ist, der in eine senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Kolbenbolzenbohrung um seine Längsachse rotierbar eingeschoben und mit dem kolbenseitigen Endabschnitt des Pleuels verbunden ist, wobei der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels eine axiale Ausnehmung des Kolbens durchsetzt, und der Kolbenbolzen und der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels jeweils einander zugeordnete Passflächen aufweisen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die jeweils einander zugeordneten Passflächen im montierten Zustand des Kolbenbolzens und des kolbenseitigen

Endabschnittes des Pleuels durch eine starre Verbindung aneinandergefügt sind, und die Passfläche des Kolbenbolzens durch eine im wesentlichen radiale Bohrung gebildet wird, in die im montierten Zustand des Kolbenbolzens und des kolbenseitigen Endabschnittes des Pleuels die der Bohrung zugeordnete Passfläche des kolbenseitigen Endabschnittes des Pleuels eingefügt ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist somit keine Verbindung zwischen Pleuel und Kolbenbolzen vorgesehen, bei der sie relativ zueinander beweglich gehalten wären, wie dies etwa bei einem in das Pleuelauge eingeschobenen Kolbenbolzen der Fall ist. Aufgrund der starren Verbindung zwischen dem Pleuel und dem Kolbenbolzen wird ein Verschieben des Kolbenbolzens in Richtung seiner Längsachse unterbunden, sodass etwa die Verwendung von Spannstiften nicht mehr notwendig ist. Dadurch wird die Anzahl an Bauteilen reduziert. Andererseits sind aber Pleuel und Kolbenbolzen auch nicht einteilig ausgeführt, da eine solche Ausführung die Montage mit dem Kolben sehr erschweren würde. Die Lagerfläche beschränkt sich bei einer erfindungsgemäßen Anordnung außerdem nicht mehr auf die Breite des Pleuelauges, sondern umfasst annähernd den gesamten Kolbendurchmesser, was die Belastungen und den Verschleiß der beteiligten Bauteile entsprechend reduziert .

Des weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Passfläche des Kolbenbolzens durch eine im wesentlichen radiale Bohrung gebildet wird, in die im montierten Zustand des Kolbenbolzens und des kolbenseitigen Endabschnittes des Pleuels die der Bohrung zugeordnete Passfläche des kolbenseitigen Endabschnittes des Pleuels eingefügt ist. Diese Maßnahme ermöglicht eine konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Anordnung ohne Ausbildung eines Pleuelauges am kolbenseitigen Endabschnitt des Pleuels. Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Paßfläche am äußersten Ende des kolbenseitigen Endabschnittes angeordnet ist, wird einfach

das äußerste Ende des kolbenseitigen Endabschnittes in eine entsprechende Bohrung des Kolbenbolzens eingesetzt.

Zur Erstellung einer starren Verbindung sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar. Gemäß Anspruch 2 ist etwa vorgesehen, dass die starre Verbindung durch eine Press-Passung gebildet wird. Eine Press-Passung ist im Zuge der Montage von Pleuel und Kolbenbolzen verhältnismäßig leicht zu bewerkstelligen, sodass sich eine einfache Montage ergibt. Allerdings kann es im Zuge der Erstellung der Press-Passung zu Verformungen in den beteiligten Bauteilen kommen. Alternativ kann daher auch gemäß Anspruch 3 vorgesehen sein, dass die starre Verbindung durch eine Klebeverbindung gebildet wird, oder gemäß Anspruch 4 durch eine Lötverbindung. Es sind aber auch andere Befestigungsarten denkbar, sofern sie eine starre Verbindung zwischen Kolbenbolzen und kolbenseitigem Endabschnitt des Pleuels sicherstellen.

Die Passfläche des kolbenseitigen Endabschnittes des Pleuels ist gemäß Anspruch 5 vorzugsweise als zylindrische Fläche ausgeführt. Zylindrische Passflächen sind nicht nur vergleichsweise einfach herzustellen, sondern ermöglichen auch eine Variierung der Eindringtiefe der zylindrischen Passfläche in die Bohrung des Kolbenbolzens.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels in der axialen Ausnehmung des Kolbens in der Richtung parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens mit geringem Spiel geführt ist. Da der Kolbenbolzen mit dem Pleuel fest verbunden ist, ist somit auch der Kolbenbolzen und das Pleuel selbst in Richtung parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens mit geringem Spiel geführt. Dadurch sind keine weiteren Mittel zur Fixierung des Kolbenbolzens innerhalb der Kolbenbolzenbohrung notwendig.

Anspruch 7 sieht vor, dass der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels in seinen die axiale Ausnehmung des Kolbens durchsetzenden Abschnitten in der Richtung parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens eine unveränderliche Dicke aufweist. Dadurch kann bei gleichzeitiger Verwirklichung der Merkmale von Anspruch 5 die Eindringtiefe der Passfläche des Pleuels in die Bohrung des Kolbenbolzens variiert werden. Da sich bei einer Variierung der Eindringtiefe die obere und untere Totlage des Kolbens verändert, kann dadurch bei der Montage der Schadraum des Kolbens im Zylinder optimiert werden .

Anspruch 8 sieht vor, dass der kolbenseitige Endabschnitt des Pleuels in einen Pleuelschaft übergeht, dessen Querschnitt sich in Richtung des kurbelwellenseitigen Endes des Pleuels erweitert. Dadurch wird eine strukturelle Verstärkung des Pleuels erreicht.

Weist der Kolbenbolzen gemäß Anspruch 9 entlang seiner Längserstreckung eine konvexe Oberfläche auf, kann eine gute

Schmierung der Gleitlagerflächen erreicht werden. Außerdem ergeben sich dadurch geringere Anforderungen an die

Fertigungsgenauigkeit von Kolbenbolzen und

Kolbenbolzenbohrung, und die Materialbeanspruchung und der Abrieb am Kolbenbolzen werden verringert.

Anspruch 10 beansprucht schließlich einen hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter mit einer Anordnung zur Befestigung eines Kolbens an einem Pleuel nach einem der Ansprüche 1 bis 9.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die

Fig. 1 in schematisierter Weise eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kolben, Kolbenbolzen und Pleuel,

Fig. 2 eine Schnittansicht der Anordnung von Fig. 1 mithilfe der Schnittebenen A und B,

Fig. 3 eine Schnittansicht der Anordnung von Fig. 1 mithilfe der Schnittebene A,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer möglichen Ausführungsform eines Pleuels,

Fig. 5 eine Frontalansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 4 entlang der Schnittebene C,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Pleuels,

Fig. 8 eine Frontalansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 7,

Fig. 9 eine Schnittansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 7 entlang der Schnittebene D,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Pleuels,

Fig. 11 eine Frontalansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 10, und

Fig. 12 eine Schnittansicht eines Pleuels gemäß der Ausführungsform von Fig. 10 entlang der Schnittebene E.

WEGE ZUR AUSFüHRUNG DER ERFINDUNG

In der Fig. 1 ist in schematisierter Weise eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Kolbens 1, eines Kolbenbolzens 3 und eines Pleuels 2 gezeigt. Der Kolbenbolzen 3 ist in eine senkrecht zur Kolbenachse S verlaufende Kolbenbolzenbohrung 5 um seine Längsachse rotierbar eingesetzt. Das Pleuel 2 weist, wie insbesondere auch an der Fig. 2 erkennbar ist, ein kurbelwellenseitiges Pleuellager 7 auf, das in der Regel als Pleuelauge ausgeführt ist und vom Kurbelzapfen der Kubelwelle

(in den Fig. 1 bis 12 nicht dargestellt) durchstoßen wird. Vom

Pleuellager 7 steht ein länglicher Pleuelschaft 6 ab, der in einen kolbenseitigen Endabschnitt 8 übergeht, wobei sich der

Pleuelschaft 6 in der gezeigten Ausführungsform in Richtung des kolbenseitigen Endabschnittes 8 verjüngt.

Der Kolben 1 weist ferner eine axiale Ausnehmung 9 auf, die im Gebrauchszustand vom kolbenseitigen Endabschnitt 8 des Pleuelschafts 6 abschnittsweise durchstoßen wird. Wie insbesondere aus der Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Ausnehmung 9 vorzugsweise so ausgeführt, dass sie in einer zur Längsachse des Kolbenbolzens 3 senkrechten Richtung ausreichend Bewegungsspielraum für die Schwenkbewegung des kolbenseitigen Endabschnitts 8 bietet, in der Richtung

parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens 3 die Dicke des kolbenseitigen Endabschnitts 8 jedoch nur geringfügig übersteigt, sodass der kolbenseitige Endabschnitt 8 in dieser Richtung in der Ausnehmung 9 mit geringem Spiel geführt ist. Da der Kolbenbolzen 3 mit dem Pleuel 2 fest verbunden ist, ist somit auch der Kolbenbolzen 3 und das Pleuel 2 selbst in Richtung parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens 3 mit geringem Spiel geführt. Dadurch sind keine weiteren Mittel zur Fixierung des Kolbenbolzens 3 innerhalb der Kolbenbolzenbohrung 5 notwendig.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kolbenbolzen 3 und der kolbenseitige Endabschnitt 8 des Pleuels 2 jeweils einander zugeordnete Passflächen aufweisen, die im montierten Zustand des Kolbenbolzens 3 und des kolbenseitigen Endabschnittes 8 des Pleuels 2 durch eine starre Verbindung aneinandergefügt sind. Die Verbindung zwischen dem Kolbenbolzen 3 und dem kolbenseitigen Endabschnitt 8 des Pleuels 2 kann etwa über eine Press-Passung erfolgen, oder über eine Klebe-, Schweiß- oder Lötverbindung. Es sind aber auch andere Befestigungsarten denkbar, sofern sie eine starre Verbindung zwischen Kolbenbolzen 3 und kolbenseitigem Endabschnitt 8 des Pleuels 2 sicherstellen.

Hierzu weist der Kolbenbolzen 3 eine im wesentlichen radiale Bohrung auf (siehe Fig. 2 und 3), in die die der Bohrung zugeordnete Passfläche 4 des kolbenseitigen Endabschnittes 8 des Pleuels 2 eingesetzt ist. Vorzugsweise ist die Passfläche 4 des kolbenseitigen Endabschnittes 8 an dessen äußerstem Ende angeordnet. Es wäre aber auch denkbar, dass der kolbenseitige Endabschnitt 8 den Kolbenbolzen 3 gänzlich durchquert, und somit lediglich die innerhalb der Bohrung liegenden Bereiche des Endabschnittes 8 als Passfläche 4 ausgeführt sind. Im folgenden wird aber davon ausgegangen, dass lediglich das äußerste Ende des kolbenseitigen

Endabschnittes 8 in eine entsprechende Bohrung des Kolbenbolzens 3 eingepresst ist.

Hierzu ist die Passfläche 4 des kolbenseitigen Endabschnittes 8 des Pleuels 2 vorzugsweise als zylindrische Fläche ausgeführt. Zylindrische Passflächen 4 sind nicht nur vergleichsweise einfach herzustellen, sondern ermöglichen auch eine Variierung der Eindringtiefe der zylindrischen Passfläche 4 in die Bohrung des Kolbenbolzens 3. Zur Variierung der Eindringtiefe ist es auch vorteilhaft, wenn der kolbenseitige Endabschnitt 8 des Pleuels 2 in seinen die axiale Ausnehmung 9 des Kolbens 1 durchsetzenden Abschnitten in der Richtung parallel zur Längsachse des Kolbenbolzens 3 eine unveränderliche Dicke aufweist. Dadurch kann die Eindringtiefe der Passfläche 4 des Pleuels 2 in die Bohrung des Kolbenbolzens 3 bei unbeeinträchtigter Führung des Pleuels 2 innerhalb der Ausnehmung 9 variiert werden. Da sich bei einer Variierung der Eindringtiefe die obere und untere Totlage des Kolbens verändert, kann dadurch bei der Montage der Schadraum des Kolbens 1 im Zylinder optimiert werden.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, weist der Kolbenbolzen 3 entlang seiner Längserstreckung vorzugsweise eine konvexe Oberfläche auf. Dadurch kann eine gute Schmierung der Gleitlagerflächen erreicht werden. Außerdem ergeben sich dadurch geringere Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit von Kolbenbolzen 3 und Kolbenbolzenbohrung 5, und die Materialbeanspruchung und der Abrieb am Kolbenbolzen 3 werden verringert .

Wie bereits erwähnt wurde, geht der kolbenseitige Endabschnitt 8 des Pleuels 2 in einen Pleuelschaft 6 über, dessen Querschnitt sich in Richtung des kurbelwellenseitigen Endes des Pleuels 2 erweitert. Dadurch wird eine strukturelle

Verstärkung des Pleuels 2 erreicht. Hierzu sind in den Fig. 4 bis 12 unterschiedliche Ausführungsformen gezeigt.

Gemäß der Ausführungsform der Fig. 4 bis 6 erstreckt sich etwa der Pleuelschaft 6 annähernd bis zum äußersten Ende des kolbenseitigen Endes des Pleuels 2, wobei der kolbenseitige Endabschnitt 8 im wesentlichen aus der Passfläche 4 besteht. Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, kann der Querschnitt des Pleuelschaftes 6 dabei etwa elliptisch ausgeführt sein. Gemäß der Ausführungsform der Fig. 7 bis 9 erstreckt sich der Pleuelschaft 6 nur etwa bis zur Hälfte des Pleuels 2, und geht anschließend in den kolbenseitigen Endabschnitt 8 über. Am äußersten Ende des kolbenseitigen Endabschnittes 8 ist die Passfläche 4 angeordnet. Wie aus der Fig. 9 ersichtlich ist, kann der Querschnitt des Pleuelschaftes 6 dabei etwa rechtecksförmig ausgeführt sein. Gemäß der Ausführungsform der Fig. 10 bis 12 erstreckt sich der Pleuelschaft 6 ebenfalls nur etwa bis zur Hälfte des Pleuels 2, und geht anschließend wieder in den kolbenseitigen Endabschnitt 8 über. Am äußersten Ende des kolbenseitigen Endabschnittes 8 ist wiederum die Passfläche 4 angeordnet. Wie aus der Fig. 12 ersichtlich ist, ist dabei der Querschnitt des Pleuelschaftes 6 aber etwa kreisförmig ausgeführt.

Im Zuge der Montage wird zunächst der Kolbenbolzen 3 in die Kolbenbolzenbohrung 5 des Kolbens 1 eingeschoben und so ausgerichtet, dass die radiale Bohrung des Kolbenbolzens 3 in Richtung der axialen Ausnehmung 9 des Kolbens 1 orientiert ist. Bei dieser Konfiguration kann der kolbenseitige Abschnitt 8 in die axiale Ausnehmung 9 eingeführt und die Passfläche 4 in die radiale Bohrung des Kolbenbolzens 3 eingesetzt werden. Die starre Verbindung kann in weiterer Folge etwa durch Einpressen, Verkleben, Verschweißen oder Löten sichergestellt werden. Der Kolben 1, der Kolbenbolzen 3 und das Pleuel 2 sind nun relativ zueinander fixiert.

Die erfindungsgemäße Anordnung findet etwa in einem hermetisch gekapselten Kältemittelverdichter Anwendung. Die Kurbelwelle wird dabei von einem Motor (beides ist in den Fig. 1 bis 12 nicht dargestellt) angetrieben und rotiert um eine Achse, die zur Achse des Kolbenbolzens 3 im wesentlichen parallel sein muss. Mithilfe der erfindungsgemäßen Anordnung wird die

Rotationsbewegung der Kurbelwelle in eine lineare Bewegung des

Kolbens 1 im Zylinder umgesetzt, wobei sich aber Pleuel 2 und Kolbenbolzen 3 relativ zueinander nicht bewegen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Befestigung eines Kolbens 1 an einem Pleuel 2 verschiebt die Lagerfläche gänzlich in Richtung Kolben 1, sodass Beanspruchungen und Verschleiß minimiert werden. Des weiteren wird eine kleinere Bauweise des Kolbens 1 bei geringerer Anzahl der Bauteile und somit einfacherer Montage ermöglicht. In technischer Hinsicht kann außerdem eine gute Schmierung der Gleitlagerfläche zwischen Kolben 1 und Pleuel 2 sowie eine radiale Fixierung des Kolbens 1 erreicht werden.