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Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Leichtmetallkolben für Dieselmotoren
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fürBlech bestehenden Kolbenschaftes ist äusserst gering, zumal dessen Betciebstemperatuir diejenige des Zylinders kaum wesentlich übersteigen dürfteist deren Herstellung infolge ihrer mehrteiligen Bauweise umständlich und teuer und es ist überdies keine Gewähr dafür gegeben, dass bei einer hohen thermischen Belastung nicht doch ein Teil der Wärme aus dem Fortsatz über die Querstreben in den Kolbenschaft gelangt und dort wiederum, wie bei den einstückigen Kolben, wenn auch in verkleinertem Ausmass, örtliche Ausbuchtungen hervoEruft, die zumindest Druckstellen, wenn nicht gar Fressstellen hervorrufen könnten.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden und einen Kolben zu schaffen, der sowohl einfach in der Herstellung ist als auch ein minimales Einbauspiel ermöglicht und zwar auch bei solchen Motoren, die einer hohen thermischen Belastung während einer langen Betriebsdauer unterworfen sind, wie dies insbesondere für aufgeladene Dieselmotoren gilt, die vielfach schon mit Leichtmetall, kol-ben bestückt werden.
Gemäss der Erfindung wird vorgeschlagen, zur Vereinfachung der. Herstellungsweise wohl die ein- gangs genannte bekannte Kolbenbauart mit einem in das Kolbenirmere ragenden Fortsatz, der seitlich gegen den aus gleichen Werkstoff bestehenden KolbenschaftdurchQuerstrebenabgestütztundan dem der Pleuelstangenkopf gelagert ist, heranzuziehen, jedoch im Gegensatz zu der letzterwähnten mehrteiligen Kolbenbauart den Kolbenschaft aus dem gleichen Werkstoff wie den Kolbenkopf und einstückig mit diesem auszubilden und zur Abstützung Querstreben vorzusehen, die zumindest im Kolbenschaft, vorzugsweise auch im Fortsatz, eingegossen sind.
Dabei sollen sich die Querstreben bei der Erwärmung des'Kolbens auf die Betriebstemperatur weniger stark ausdehnen, als sich die Schaftteile, in denen sie verankert sind, ohne diese Querstreben radial voneinander entfernen würden. Das kann dadurch erreicht werden, dass man dië Querstreben aus einem Werkstoff mit sah'1ec'hterer Wärmeleitfähigkeitund/oderkleineremAusdehnungskoeffizienten als dem des übrigen Kolbens ausführt.
Neben einer einfachen Herstellung des erfindungsgemässen Kolbens, die z. B. in der derzeit üblichen Weise mittels mehrteiliger Kerne vorge-
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Des weiteren kann der Fortsatz zur Vergrösserung seines Wärmespeichervermögens bis in die untere Kolbenhälfte herunterreichen und mit einer an sich bekannten, gegen das offene Schaftende konvexen Lagerfläche versehen sein, die wegen deI leichteren Bearbeitbarkeit auch separat anzufertigen und aufsteckbar ist, wobei die Lagerfläche eine senkrecht zur Schwingungsebene der Pleuelstange sich erstreckende etwa halb zylindrische Form aufweisen kann. und die Halteschrauben für die La gerbrillen oder für das zylindrische Zwischenstücl in den dazu entsprechend getrennten Querstreben
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sein, die zur Wärmespeicherung notwendige Masse des Fortsatzes zu vermindern, oder sollte es sich ergeben, dass durch die vorstehend geschilderten Massnahmen allein eine überhitzung der Querstreben bzw.
des Fortsatzes nicht ausreichend ver hindert werden kann, wie dies allenfalls bei hoch beanspruchten Kolben mit einem im Kolbenboder ausgesparten Brennraum denkbar wäre, so kann de : Fortsatz noch zusätzlich'gekühlt werden. Zu diesem Zwecke können im Fortsatz an sich bekannte öl durchtrittskanäle vorgesehen und/oder in dem zwi- sehen den Querstreben verbleibenden Ringraum,
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bzw. hohle Wärmeableitungsbeilagen angeordnel werden, die der Dehnung des. Kolbenschaftes fol gen und einen Teil der im Fortsatz anfallender Wärmemenge in die untere kühlere Schaftpartie ableiten.
Der nachfolgenden Beschreibung können wei tere vorteilhafte Ausbildungsmerkmale des ernn dungsgemässen Ko1bens an Hand mehrerer Ausfüh . rungsbeispie : le entnommen werden. In der Zeichnung stellen die'Fig. 1 und 2 zueinander senkreehte Mittelschnitte durch einen erfindungsgemässen Kolben in der Ausführung mit einer an eine kon vexe Lagerfläche des Fortsatzes angelenkten Pleuel stange dar, und die Fig. 3 und 4 zeigen ähnliche Schnitte durch einen Kolben mit einer Klemmpleuelstange. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt nach der Linie V-V der Fig. 2 und Fig. 6 denselben Querschnitt mit eingelegtem siebenteiligen Kern der Innenkokille, die bei der Herstellung des Kolbens verwendet wird.
Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Kolben alter Bauart und einen erfindunggemässen Kolben in je zwei aufeinander senkrechten Mittelschnitten und in den Fig. 7a und 8a ist die Temperaturverteilung in den Böden dieser Kolben angedeutet. In sämtlichen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der für den Kokillenguss konisch geformte Kol- benboden-Fortsatz ist mit I, der dünnwandige, irohrfönmge Kolbenmantel mit 2, die einstückige, beispielsweise gegossene, in der Schwingungsebene der Pleuelstange senkrecht zur Kolbenlängsachse angeordnete Querstrebe mit 3 bezeichnet. Die Querstrebe 3 weislt eine den Seitendruck aufnehmende Verankerungsplatte 3'auf und ist aus einem Werkstoff mit schlechterer Wärmeleitfähig-
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keit und/oder kleinerem Ausdehnungsbeiwert als der Kolben ausgeführt.
Um die beim Zusammen- guss von Werkstoffen mit verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten auf längere Distanz auftre- tenden Spannungen weitestgehend zu vermeiden, ist eine die Seitendrücke aufnehmende weitere Verankerungsplatte 13 mittig angeordnet, derart, dass sich'bei. der Erwärmung die verschiedenen Werkstoffe unabhängig voneinander ausdehnen können.
Mittels segmentartiger Beilageplatten 4, die an der Querstrebe 3 und in einer angedrehten Zentrierstufe 4'des Kolbenmantels 2 anliegen, werden die den Pleuelstangenkopf 18a unterfassenden Lagerschalen 6 gegen die auftretenden Seitenkräfte zentriert und fixiert, so dass die Befestigungsschrauben 5 der Lagerschalen 6 von seitlichen Beanspruchungen völlig entlastet sind und lediglich auf Zug beansprucht werden, wobei letztere nunmehr mit grösster Vorspannung angezogen werden können. Mit 7 sind die in der Zeichnung angedeuteten Bügel bezeichnet, über welche die zwei Lagerschalen 6 die fliehkräfte des Kolbens auf den Pleuelstangenkopf 18a gleichmässig übertragen und die dementsprechend zu dimensionieren sind. Die Lagerfläche 20 der Pleuellagerungin Fig. l ist zum offenen Kolbenschaftende in der Schwingungsebene der Pleuelstange konvex, zweckmässig halbzylindrisch gestaltet.
Hiedurch kann der dieser fläche angepasste konkave Pleuelkopf 18a leichter bearbeitet z. B. feinst gedreht werden und. ausserdem kann der Fortsatz 1 ein grö- sseres Volumen erhalten. Für besonders hochbeanspruchte Kolben wird sich gegebenenfalls eine Lagerschale aus Weissmetall oder Bronze empfehlen, die im Fortsatz 1 eingegossen oder durch ein aufsteckbares Zwischenstück austauschbar angeordnet sein kann.
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ng, z. B. beihohl ausgebildet und zusätzlich mit einer Kühlflüssigkeit oder mit Schmieröl von der durchbohrten Pleuelstange 18 a. us gespeist werden. In Fig. 1 ist die Ölzuführungsbohrung in der Pleuelstange 18 mit 21, jene im Fortsatz 1 mit 22 bezeichnet.
Die Massenkräfte. der Wärmeableitungs-Beilagen 8 werden durch die Stufe 10 des Kolbenschaftes 2 aufgenommen, wobei in diesem Bereich der untere Teil der Wärmeableitungs-Beilagen 8 durch Nieten 12. fixiert ist. Damit diese segmentartigen Beilagen 8 in ihrem unteren Teil der Wärmedehnung bzw. verschiedenen Krümmung des Kolbenschaf- tes 2 folgen können, sind Längsschnitte 11 eingefräst oder eingesägt. Ein oberes festes Anliegen am Fortsatz 1 auch bei grösster Erwärmung verbürgt eine warmfeste Schraubenfeder 19, die auch durch eine entsprechende Schraube ersetzt werden kann.
Die Kompensierung der Durchmesservergrösse-
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Tragflächedesselben, erfolgt durch die in der Schwingungs ebene der Pleuelstange 28 bzw. in der Querkom- ponenten-Richtung der Kolbenkräfte wirksame starre Verbindung des Fortsatzes 1 und des dünnen rohrförmigen Kolbenmantels 2 mittels der ein- stückigen, eingegossenen Querstrebe 3. Diese lässt den Kolbenmantel zumindest in seinem unrunden, denverankerungsflanschen3'bzw. 17annähernd entsprechenden Bereich nur mehr quer zur Schwin-
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Tragflächen des Kolbenmantelslinderbohrung stets klemmfrei anpassen.
Die bei der Ausbildung nach der Fig. 1 und 2 vorgesehenen Lagerungen des Pleuels am Fortsatz 1 des Kolbens mittels einer halbzylindrischen Lager-
Hache ermöglicht die Einhaltung kleiner spezifi- scher Lagerbelastungen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Kolbenausbildung, bei welcher der den verschiedenen Druckbeanspru- chungen entsprechend angefräste P1euelkopf einen kurzen Kdlbenbolzen 14 trägt, welcher z. B. durch eine Klemmschraube 16 fixierbar ist. In diesem Falle muss der zentrale Fortsatz 1 seitlich durchbohrt werden, ebenso der Kolbenmantel 2, wobei letzterer durch Scheiben 15 nachträglich wieder verschlossen werden kann. Die einstückig ausgeführte Querstrebe 3 besteht hier aus einem starken bogenförmigen'gestanzten Blech von schlechter Wärmeleitfähigkeit umd/oder kleinerem Ausdehnungsbeiwert mit gleitschuh ähnlichen Enden 17, die mit dem Kolbenmaterial allseits umgossen sind und durch ihre dem Mantel 2 angepasste Form eine Verankerung über einen längeren Schaftbereich ergeben.
Fig. 6, welche eine zum Giessen des erfindungs- gemässen Kolbens verwendbare siebenteilige Innenkokille zeigt, soll veranschaulichen, dass, trotz des Vorhandenseins eines engen Ringspaltes und der Querstrebe 3 zwischen den Seitenkemen d, e, f und g beim Zusammensetzen des Kernes vor dem Einheben in den Kokillenmantel, ein flotter Guss in der gebräuchlichen Art mit dem Kolbenboden unten-um letzteren besonders dicht zu bekommen möglich ist, indem die Kerne in der Reihenfolge ihrer alphabetischen Bezeichnung gezogen werden.
Der Mittelkern a wird zuerst senk-
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zu rücken, um sie dann ebenfalls hochzuziehen, wogegen die Aussenkeme d, e, f und g zuerst in an sich bekannter Weise viertelkreisfomnig ge- schwenkt werden müssen, worauf dieselben dann ebenfalls leicht hoch-bzw. herauszunehmen sind.
Die Fig. 7 veranschaulicht einen aus einem einheitlichen Werkstoff bestehenden Kolben alter
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Bauart mit Bolzenaugen und die Fig. 8 im Vergleich dazu einen solchen gemäss der Erfindung.
Aus den Figuren sind die grossen Unterschiede in den Mantelwandstärken u, v und w beim alten Kolben bzw. x beim erfindungsgemässen Kolben zu erkennen. Der Kolbenmantel gemäss der Erfindung von z. B. 120 mm Kolbendurchmessei hat eine Wandstärke x von etwa nur 3 mm, während die Stärken in den einzelnen Teilen der bisher üblichen Kolben gleichen Durchmessers z. B. bei M gleich 24 mm, v gleich 10 mm und w gleich 22 mm betragen. Aus dem in den zugehörigen Fig. 7a und 8a schematisoh dargestellten Temperaturverlauf im Kölbenboden sind auch die gemäss der Erfindung erreichten Temperatursenkungen zu erkennen.
Beim alten Kolben tritt in der Mitte des Kolbenbodens eine Temperaturspitze S auf, wo die Tem- peratur'bedeutend höher ist als an den Rändern.
Beim neuen Kolben ergibt sich dagegen ein ziemlich gleichmässiger Verlauf über den ganzen Kol- benboden, ohne das Auftreten irgendwelcher Temperaturspitzen.
Was die Lagerung des Pleuelstangenkopfes bei den in den Fig. 7 und 8 einander gegenüberge- stellten Kolbenbauarten anbelangt, sei darauf hingewiesen, dass sich der Entfall des 945 Gramm schweren Kolbenbolzens beim erfm. dungsgemässen Kolben nach Fig. 8 durch eine etwa 25% ige Ge- wichtsverminderung günstig hinsichtlich der Mas- senkräfte auswirkt, da die gesamte Pleuelverschrau- bung bzw. die alternative Ausführung mit Gabelpleuel und halbzylindrischer Achse samt den Innensechskantsohrawben in diesem Ausmass leichter ist. Der Kolben nach der Erfindung weist somit in jedem Fall ein geringeres Gesamtgewicht auf als ein Zweinabenkolben bekannter Bauart mit Kolbenbolzen.
Hinsichtlich des Kolbenschaftes dieser bekannten Kolben ergibt sich eine Verlagerung der Kolbsnmasse im Sinne einer Konzentrierung im mittleren Kolbenbodenfortsatz. Der Fortsatz be- inhaltet nunmehr. etwa 85% der Masse des früheren Kolbenoberteils, so dass eine einwandfreie Wärmeableitung erfolgt und ein Wärmestau ausgeschlossen ist.
Bei einem bekannten hoch beanspruchten Leichtmetall-Dieselkolben üblicher Bauart für einen 185 PS 6-Zylinder-Motor mit Aufladung mit einem in den Bolzennaben des Kolbenmantels gelagerten Kolbenbolzen mit einem Kolbendurchmesser von 120 mm beträgt das Kolbengewicht beispielsweise 3280 Gramm mit einem Einbauspiel von 0, 24 mm unterhalb der Kolbenringzone, wogegen ein Kolben der Bauart gemäss der Erfindung bei gleichem Aussendurchmesser mit einem Gewicht von 2978 Gramm und einem Einbauspiel von 0, 08mm und darunter ausgeführt werden kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 8 tritt das öl aus der im Pleuelschaft angeordneten Längsbohrung 21 in einen der Längsachse des Ansatzes 1 des Kolbens angeordneten Kanal 20 über, wenn die Pleuelstange jene Stellung einnimmt, in der die Kanäle 20 und 21 fluchten. Das Schmiermittel gelangt durch den Kanal 20 his zu jener vorzugsweise nur in geringem Abstand vom Kolbenboden liegenden Stelle des Steigkanals, von der aus radiale Kanäle in den Ringraum zwischen Kolbensohaft und Mittelfortsatz führen. Ist im Kolben ein Brennraum untergebracht, so verlaufen die von der Pleuellagerung des Kolbens gegen den Kolbenboden gerichteten Kanäle nach oben divergierend am Brennraum des Kolbens vorbei.
Naturgemäss muss es dem Fachmann überlassen bleiben, je nach den vorherrschenden Betriebsbedingungen und der gewünschten konstruktiven Ausführung des Kolbens selbst (Art der Lagerung des Pleuelstangenkopfes, Anwendung einer Kühlung u. dgl.) die Bemessung der Masse für den Kolbenbodenfortsatz so vorzunehmen, dass in Verbindung mit einer entsprechenden Auswahl für den Werkstoff der Querstreben optimale Verhältnisse hinsichtlich einer Kompensation der Wärmedehnung des Kolbenschaftes auftreten und ein minimales Einbau@piel ermöglicht wird.
Gegebenenfalls wird es sich zur Einhaltung dieses minimalen Spieles zusätzlich empfehlen, bsi Grosskolben z. B. für Schiffsdieselmotoren, die zumeist nicht mehr einstückig gegossen, sondern mehrteilig ausgeführt werden, sowie auch für Repa-
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auszubilden.
Wenngleich die beschriebenen Ausführungsbei- spiele vornehmlich oval geschliffene Leichtmetallkolben betreffen, so kann das darin verwirklicht Prinzip zur Regelung bzw. Kompensation der Wärmedehnung eines Kolbenschaftes mittels bestimmter Eigenschaften aufweisenden Querstreben bei zahlreichen andern ähnlichen auch kreisrunden, aus Schwermetall (Gusseisen) bestehenden, ein-und mehrstückigen Kolbenbauarten angewendet werden.
So wäre es durchaus denkbar, unter Verzicht auf eine einfache Kolbenbauweise auch bei dem zum Stande der Technik gehörige bezeichneten, mehrteiligen Kolbenbauarten mit einem Kolbenbodenfortsatz aus Leichtmetall und einem dünnwandigen Blechmantel als Kolbenhemd, die radialen Abstützungen aus einem besonders legierten Werkstoff herzustellen, der den an den Werkstoff der ein- stückigen Querstrebe gestellten Anforderungen auch hinsichtlich des Kolbenschaftwerkstoffes entspricht.
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