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Leichtmetallkolben für luftverdichtende selbstzündende
Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallkolben für luftverdichtende selbstzündende Brenn- kraftmaschinen, der eine Bodenschutzplatte mit im Kolbenwerkstoff eingegossenen, einzeln stehenden, endseitig verstärkten Verankerungselementen aufweist. Bei den bisherigen Kolben dieser Art sind die Ver- ankerungselemente mit Ausnahme eines zentralen Zäpfchens als Teile von konzentrischen, mehrfach un- terbrochenen Ringrippen ausgebildet, die an ihrem freien Rand wulstartig verdickt sind. Solche Verankerungselemente dienen selbstverständlich nicht nur zur Befestigung der Schutzplatte am Kolbenboden, son- dern auch zur Wärmeableitung von der Schutzplatte in den Kolbenboden. Es hat sich nun gezeigt, dass Ringrippen diesbezüglich verschiedene Nachteile mit sich bringen.
Sie bilden nämlich jeweils einen nur an schmalen Stellen unterbrochenen Wall, der den erforderlichen Wärmefluss innerhalb des Kolbenbodens stark beeinträchtigt. Zwischen den Ringrippen können daher Stellen örtlicher Überhitzung auftreten. Da die Werkstoffe der Bodenschutzplatte und des Kolbens verschiedene Wärmedehnungskoeffizienten aufwei-. sen und die in den Kolbenwerkstoff einragenden Rippensegmente eine verhältnismässig grosse Abmessung in Umfangsrichtung besitzen, demnach also mit verstärkter Ausdehnung gerechnet werden muss, ist die Gefahr von Spannungen zwischen den Rippen und den sie umgebenden, sich in anderem Masse ausdehnenden Kolbenwerkstoff gegeben, so dass Rissbildungen auftreten können.
Ausserdem lässt sich mit völlig zentrisch-symmetrisch angeordneten Verankerungsrippen die Wärmeverteilung im Kolbenboden nicht in dem gewünschten Masse beeinflussen.
Es ist auch schon eine Ausführung bekanntgeworden, die diese Mängel dadurch beseitigen soll, dass die Verankerungsrippen im wesentlichen nur im Bereich über den Kolbenbolzenaugen angeordnet werden, während in Bodenmitte ein einzelner Verankerungszapfen vorgesehen ist. Hier bleibt zwar der Wärmefluss im Kolbenboden zu den zwischen den Kolbenbolzenaugen liegenden Schaftteilen ungehemmt, jedoch fehlt eine genügende Schutzplattenverankerung auf dem grössten Teil des, Kolbenbodens, und es fehlt in diesem Bereich auch die erforderliche Wärmeübertragung von der Schutzplatte auf den Kolbenboden, so dass die Schutzplatte selbst im zentralen Bereich überhitzt wird und sich verwerfen kann.
Bei einer andern bekannten Kolbenausbildung weist die Bodenschutzplatte seitliche Verankerungsteile auf, die sich bis in die Zone der Kolbenbolzenaugen erstrecken. Ferner ist der Rand der Bodenschutzplatte als Ringsteg ausgebildet, in dem die Nut für den obersten Kolbenring ausgespart ist. Durch die so tief greifenden Verankerungsteile wird die Wärme von der Bodenschutzplatte unmittelbar zu den Kolbenbolzenaugen, also zu den Lagerstellen abgeleitet, die gerade möglichst kalt bleiben sollen. Im Bereich der Kolbenbolzenaugen fehlt auch die Möglichkeit der Wärmeabgabe an die Zylinderwandung. Schliesslich ist ein Leichtmetallkolben bekanntgeworden, der an seinem Umfang einen miteingegossenen Ringträger und eine am Ringträger befestigte, im Abstand vom eigentlichen Kolbenboden gehaltene Bodenschutzplatte besitzt.
Der Zwischenraum zwischen der Bodenschutzplatte und dem Kolbenboden ist mit einer wärmeisolierenden Masse ausgefüllt. Hier fehlt jegliche Möglichkeit der Wärmeabgabe von der Bodenschutzplatte an den Kolben und damit auch eines Wärmeausgleiches innerhalb der Bodenschutzplatte selbst, so dass diese Wärmespannungen ausgesetzt ist.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung aller dieser Nachteile und die Schaffung eines Leichtmetall-
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ihrer Auflagefläche am Kolben in an sich bekannter Weise Isoliereinlagen vorgesehen sind. Derartige
Zäpfchen ergeben auf Grund ihres verdickten Kopfes eine gute Verankerung der Bodenschutzplatte im Kol- benboden, ohne aber zufolge ihrer geringen Querschnittsabmessungen den Wärmefluss innerhalb des Kol- benbodens zu beeinträchtigen. Die Zäpfchen können je nach der auftretenden Wärmebelastung in ver- ) schiedener Verteilung und mit verschiedener Länge angeordnet werden, so dass eine möglichst gleichmä- ssige Kolbenbodentemperatur erzielt wird.
Es ist auch keine Gefahr von Wärmespannungen wegen des ver- schiedenen Wärmedehnungskoeffizienten der beiden Werkstoffe vorhanden, da die auftretenden Dehnun- gen auf Grund der geringen Masse der Zäpfchen vernachlässigbar klein sind. Sind Isoliereinlagen vorhan- den, ist der Wärmeübergang von der Bodenschutzplatte in den Kolbenboden praktisch ausschliesslich auf ) die Zäpfchen beschränkt, so dass durch entsprechende Anordnung der Zäpfchen eine genaue Beeinflussung des Wärmeflusses und der Wärmeverteilung im Kolbenboden möglich ist.
Es ist zwar auch schon bekannt, an der Unterseite der Bodenschutzplatte einzeln stehende Zäpfchen vorzusehen, diese sind aber endseitig nicht verstärkt und dienen auch nicht als Verankerungselemente, da sie keinen Eingriff in den Kolbenwerkstoff haben. Ausserdem ergeben solche Zäpfchen keine genügende wärmeableitung aus der Bodenschutzplatte, da sie frei in den Kolbenhohlraum einragen, wo über die ein- geschlossene Luft keine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
Bei Leichtmetallkolben ohne Bodenschutzplatte muss der Kolbenboden einerseits im Hinblick auf die mechanischen und anderseits auf die thermischen Belastungen dimensioniert werden. Die die thermische
Belastung des Kolbenbodens wesentlich herabsetzende Bodenschutzplatte gibt nun die Möglichkeit, den ) Kolbenboden im wesentlichen nur nach den Forderungen der mechanischen Festigkeit auszubilden. Erfin- dungsgemäss ist daher der Kolbenboden an der der Bodenschutzplatte abgekehrten Seite mit die Zäpfchen aufnehmenden Rippen bzw. mit Aussparungen zwischen den Zäpfchen versehen.
Um die Temperatur des Kolbenbodens herabzusetzen, können die Zäpfchen um einen im Bereich der grössten Wärmebelastung unterhalb der Bodenschutzplatte vorgesehenen, allseits geschlossenen Hohlraum angeordnet sein, so dass der Wärmeübergang in diesem Bereich stark herabgesetzt ist.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt, u. zw. zeigen Fig. l und 2 zwei mögliche Kolbenausführungen jeweils im Axialschnitt.
Der Leichtmetallkolben 1 trägt eine Bodenschutzplatte 2, die im Kolbenwerkstoff miteingegossene
Verankerungselemente aufweist. Diese Verankerungselemente sind als einzeln stehende Zäpfchen 3 mit verdicktem Kopf 4 ausgebildet und so über die Kolbenbodenfläche verteilt, dass sich unter Vermeidung örtlich überhitzter Stellen ein gleichmässiger Wärmefluss ergibt. Die Bodenschutzplatte 2 besitzt einen den Aussenrand des Kolbenbodens 5 übergreifenden Randsteg 6, in dem gemäss Fig. 2 auch gleich die Nut 7 für den obersten Kolbenring vorgesehen sein kann.
Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 2 ist zwischen der Bodenschutzplatte 2 und ihrer Auflagefläche am Kolben 1 eine Isoliereinlage 8 vorgesehen. Der Kolbenboden 5 ist unterseitig nicht eben ausgebildet, sondern weist Aussparungen 9 bzw. Rippen 10 auf. In Kolbenmitte, also in der Regel im Bereich der gröss- ten Wärmebelastung der Kolbenschutzplatte 2, bildet der Kolbenboden einen durch einen Stopfen 11 ab- geschlossenen Hohlraum 12, um den die Zäpfchen 3 angeordnet sind.
Um zu einer günstigen Anordnung der Zäpfchen zu gelangen, kann folgendermassen vorgegangen wer- den. Zunächst wird eine Probeausführung angefertigt, bei der die Zäpfchen auf Grund der Erfahrungswer- te verteilt und bemessen werden. Nachdem mit dieser Probeausführung einige Zeit gefahren wurde, wird die Schutzplatte entfernt und die Resthärte der Kolbenbodenoberflächebereichsweise bestimmt. Stellen mit verringerter Resthärte sind ein Zeichen für zu starke Wärmebelastung, und es kann nun die Verteilung der Zäpfchen oder die Stärke des Kolbenbodens an diesen Stellen entsprechend korrigiert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leichtmetallkolben für luftverdichtende selbstzündende Brennkraftmaschinen, der eine Boden- schutzplatte mit im Kolbenwerkstoff eingegossenen, einzeln stehenden, endseitig verstärkten Veranke- rungselementen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungselemente ausschliesslich als
Zäpfchen (3) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und gegebenenfalls zwischen der Bodenschutz- platte (2) und ihrer Auflagefläche am Kolben in an sich bekannter Weise Isoliereinlagen (8) vorgesehen sind.