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Leichtmetallkolben mit aus Schwermetall bestehenden
Tragringen
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rend des Betriebes in keiner Weise regeln.
Um Tragringe, die in Nuten am Umfang des Kolbenschaftes vorhanden sind, zur Regulierung des
Laufspieles zu verwenden, sind sie auch schon mittels Schrauben in Richtung der Bolzenachse mit dem
Kolbenwerkstoff festgehalten worden. Die Verwendung solcher Halteglieder in einem Maschinenteil, der, wie die Kolben in Brennkraftmaschinen, hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausge- setzt ist, erfährt von der Fachwelt jedoch vollkommene Ablehnung. Wenn nämlich ein solcher Ring an den vorerwähten Stellen festgehalten werden soll, müssen Halteglieder vorhanden sein, die den gesamten
Gleitbahndruck des Kolbens aufzunehmen vermögen. Um diese Bedingung aber zu erfüllen, müssen die
Halteglieder wesentlich kräftiger und vor allem auch viel sicherer bemessen. bzw. ausgebildet sein. Der vorerwähnte Vorschlag hat daher in der Fachwelt auch keine Verwirklichung gefunden.
Zur Verbesserung des Laufverhaltens von Leichtmetallkolben, in die aus Schwermetall bestehende
Tragringe eingegossen sind, die ihrerseits im Bereich der Kolbenbolzenaugen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden und senkrecht dazu in den druckseitigen Schaftflächen beweglich sind, ist erfindungsgemäss der
Kolben in an sich bekannter Weise im Bereich der Bolzenaugen freigeschliffen oder sein Schaft oval ge- formt, während die Tragringe zur Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff eingegossene Halterungen auf- weisen und zwischen denselben ganz oder teilweise frei be eglich sind. Die Ringe müssen somit im Bereich der festen Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff, dessen Wärmeausdehnung zwangsläufig mitmachen und gleichzeitig den Laufbahndruck im Zylinder auf den Kolbenkörper im kalten Zustand übernehmen.
Die beim Giessen des Kolbens miteingegossenen Tragringe aus Schwermetall sind, z. B. auf ihrem kreis- förmigen Umfangsteil parallel zurkolbenbolzenachse freigestochen, und miteinander durch quer zur Kol- benbolzenachse verlaufende-Stege verbunden. Nach einer weiterenAusbildung des erfindungsgemässenkol- bens sind die Stirnseiten der Tragringe gegen das Kolbeninnere hinterschnitten, insbesondere im Querschnitt trapezförmig ausgebildet, so dass. sie unter Vermeidung eines Freisteehens in radialer Richtung nach dem Eingiessen beweglich sind.
Wird angenommen, dass einRingdessen Werkstoffeine Wärmeausdehnungszahl von 10 x 10 mm/-mmoC hat, in einen Kolbenwerkstoff mit einer Wärmeausdehnungszahl von 20 x 10-6 mm/mm C eingegossen und dann freigestochen wird, so kann sich ein solcher Ring nicht nur mit der Hälfte des Laufspieles, sondern auch unter diesem Wert im Zylinder bewegen, da durch die grössere Dehnung des Kolbens eine elastische Verformung des Ringes eintritt, und hiedurch eine weitere Verkleinerung des Laufspieles zwischen dem Ring und dem Zylinder entsteht. Ein in dieser Weise angeordneter Ring übernimmt im kalten Zustand die Führung des Kolbens an der Zylinderwand, wodurch ein Kippen bzw. Klappern des Kolbens ausgeschlossen wird.
Je mehr Wärme während des Laufes des Motors der Kolbenboden aufnimmt, umsomehr Wärme wird an den Schaft abgeleitet und desto kleiner wird das Laufspiel des Leichtmetallkolbens.
Da der eingegossene Ring mit der Erwärmung des Kolbenwerkstoffes da, wo er nicht in fester Verbindung mit diesem steht, gleichzeitig mit ihm oval verformt wird, vergrössert sich das Laufspiel des Ringes in demselben Masse wie der Aluminiumkolbenschaft im Durchmesser zunimmt. Es kann somit das Laufspiel des Kolbens bei halber Last so gross gehalten werden, dass bei einer plötzlichen Belastungsänderung ein Fressen sowohl des Ringes als auch des Kolbenschaftes vermieden wird.
Um einen unzulässigen Druck des Ringes bei der Ovalverformung auf die Zylinderwand zu vermeiden, ist er am offenen Schaftende im kalten Zustand oval ausgeführt oder in der Nähe des Kolbenbolzenauges freigeschliffen, so dass nur ein Teil des Umfanges als tragende Fläche wirksam wird. Bei voller Belastung wird die Führung des Kolbens allein vom Aluminiumschaft übernommen, so dass ein einwandfreier Wärmeübergang auf den Zylinder erfolgt.
Der Schwermetallring kann so ausgebildet und angeordnet sein, dass er als Ringsteg mit entsprechender Breite wirksam wird oder auch einen Teil des Kolbenschaftes selbst bildet.
Die Erfindung weist weiterhin noch den Vorteil auf, dass die Ringe für Kolben aller Art von Brennkraftmaschinen Anwendung finden können, und dass das Laufspiel der Kolben im kalten Zustand auf ein Mindestmass verringert wird. Das Laufspiel eines oder mehrerer solcher Ringe im kalten Zustand kann sogar kleiner sein als das Laufspiel eines Graugusskolbens gleichen Zylinderdurchmessers.
Der mit den erfindungsgemäss angeordneten Ringen ausgerüstete Kolben zeichnet sich weiterhin noch dadurch aus, dass er keinen Querschlitz hat. Infolgedessen können solche Kolben auch in schlitzgesteuerte Zweitaktmotoren eingebaut werden, ohne dass die Arbeitsweise dieser Kolben beeinflusst wird. Gegen- über allen andern Regelkolben besteht dabei der grosse Vorteil, dass die Ableitung der Wärme ungehindert von dem Ringteil bei höchster Belastung an den Schaft erfolgt. Es ist somit möglich, auch bei luftgekühlten Motoren einen ruhigenKolbenlauf zu erreichen, ohne dass die Wärmeableitung aus dem Kolben unterbunden oder der Kolbenkopf überhitzt wird.
Die Fig. 1-6 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Die Fig. 1 und 2
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stellen je zum Teil eine Längsschnitt durch einen Fahrzeugdieselkolben und zum Teil eine Ansicht eines solchen Kolbens dar. Die Fig. 3 und 4 sind je ein Querschnitt durch die Kolben nach den Fig. 1 und 2, wobei der Schnitt durch die oberen Ringe geführt ist. Die Fig. 5 lässt in perspektivischer Darstellung eine Sonderausführung des Ringes erkennen, während die Fig. 6 eine weitere mögliche Ausbildung des Ringes in seiner Anordnung in einem Kolben zeigt, der teils im Längsschnitt, teils in Ansicht dargestellt ist.
EinLeichtmetallkolben 1 ist entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 mit Ringen 2 und 3 ausgerü r stet. Der eine dieser Ringe befindet sich oberhalb des Kolbenbolzens zwischen dem oberen Ölabstreifring und dem darüberliegenden Kolbenring, der nicht besonders dargestellt ist. Der andere Ring 3 ist unterhalb des unteren Ölabstreifringes, der ebenfalls nicht gezeichnet ist, vorgesehen. Die Zylinderwand trägtdas Bezugszeichen 4. Das Laufspiel im kalten Zustand ist durch einen Spalt 5 angedeutet, während die Ringe bei betriebswarmen Kolben ein Laufspiel 6 aufweisen.
Entsprechend uer Darstellung in der Fig. 2 befindet sich der obere Ring 8 über dem Kolbenbolzen, während der untere Ring 9 zwischen zwei unteren Ölabstreifringen liegt. Der Kolben 7 ist in diesem Fall für einen Zweitaktmotor gedacht. Die freie Beweglichkeit dieser Ringe wird durch Einstechen der Nuten 10,11 und 12 erreicht. Das Laufspiel im kalten Zustand ist wiederum mit 5, das im warmen Zustand mit 6 bezeichnet.
Der linke Teil in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht den kalten Zustand der Kolben. Zwischen dem Ring 2 in Fig. 3 und dem Kolbenkörper 1 befindet sich der Spalt 13. In diesem Zustand ist in der Nähe des Kolbenbolzens infolge der ovalen Form des Kolbens ein grösseres Laufspiel 14 gegenüber der Zylinderinnenwand vorhanden. Der Ring 2 ist in den nicht freigestochenen Bereichen durch Stege 15 im Kolbenkörper 1 mit dessen Werkstoff fest verbunden. Die Stege 15 machen daher die Bewegung des Werkstoffes des Kolbenkörpers bei dessen Wärmeausdehnung zwangsläufig mit, so dass der Ring 2 an den freiliegenden Aussenflächen am Kolbenumfang derart elastisch verformt wird, dass zwischen dem Ring 2 und der Zylinderwand 4 ein Spalt 6 entsteht.
Die Zwischenräume 13 und 14 werden bei der Erwärmung immer kleiner und können gegebenenfalls durch den Kolbenkörper vollkommen ausgefüllt werden.
Der Ring 9 nach Fig. 4 ist im äusseren Umfang oval ausgebildet. Zwischen dem Ring 9 und dem Kolbenkörper befindet sich im kalten Zustand ein Spalt 13. In Richtung zum Kolbenbolzen ist je ein Spiel 14 gegenüber der Zylinderinnenwand vorhanden. Der Ring 9 ist auf seinem ganzen Umfang freigestochen, aber nicht überall frei beweglich, sondern wird durch Nocken 16 und/oder Bügel 17 mit dem Kolbenwerkstoff fest verankert.
Die Zahl der Ringe ist nicht auf zwei beschränkt. Es können z. B. auch drei Ringe vorgesehen sein, beispielsweise in einer Anordnung nach 2,8 und 9 (Fig. 1, 2).
Um zu verhindern, dass die Ringe sich in Richtung der Längsachse des Kolbens nach dem Freistechen bewegen, sind sie mit besonderen Halterungen versehen. Diese können, wie die Fig. 5, die eine Ringausführung nach Fig. 3 zeigt, erkennen lässt, in der Ausbildung besonderer Ausnehmungen 18 auf der Innenseite des Ringes 19 bestehen. Sie greifen in entsprechend gestaltete Nasen oder Vorsprünge, die auf der Oberfläche des Kolbenwerkstoffes vorgesehen sind, was nicht besonders dargestellt ist.
Die gleiche Wirkung, wie sie durch das Freistechen erreicht wird, tritt auch dann ein, wenn den Ringen ein Querschnitt gegeben wird, der erlaubt, dass der Ring nach dem Eingiessen sich quer zur Kolbenbolzenrichtung frei bewegen kann. Eine solche Möglichkeit besteht bei einem trapezförmigen gewählten Ringquerschnitt, wie dies die Fig. 6 erkennen lässt. Zwischen den Flanken 21 und 22 des Ringes 23 entsteht beim Schrumpfen des Kolbenwerkstoffes im Schaft 24 jeweils ein Ringspalt, so dass der Ring 23 gegenüber dem Kolbenwerkstoff sowohl in radialer als auch in axialer Richtung eine freie Beweglichkeit erhält. Um nun aber zu verhindern, dass der Ring auch im Bereich der nichttragenden Schaftflächen sich bewegt, wird er im Kolbenwerkstoff festgehalten ; beispielsweise durch die Anordnung von bügelartig ausgebildeten Gliedern 25.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Leichtmetallkolben, mit aus Schwermetall bestehenden Tragringen, die im Bereich der Bolzenaugen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden und senkrecht dazu in den druckseitigenSchaftflächen beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, dass er (1) in an sich bekannter Weise im Bereich der Bolzenaugen freigeschliffen oder sein Schaft oval geformt ist, und dass die Tragringe (2, 3,8, 9,19, 23) zur Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff eingegossene Halterungen (18) aufweisen, und zwischen denselben ganz oder teilweise frei beweglich sind.
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Light alloy pistons with made of heavy metal
Support rings
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Do not regulate the operation in any way.
To support rings, which are present in grooves on the circumference of the piston skirt, to regulate the
To use running play, they are already by means of screws in the direction of the bolt axis with the
Piston material has been recorded. The use of such holding members in a machine part which, like the pistons in internal combustion engines, is exposed to high thermal and mechanical loads, is, however, completely rejected by experts. Namely, if such a ring is to be held in the aforementioned places, holding members must be present, the entire
Able to absorb slide path pressure of the piston. In order to meet this condition, however, the
Retaining links are much stronger and, above all, much safer. or be formed. The above-mentioned proposal has therefore not been implemented in the professional world.
To improve the running behavior of light metal pistons, in those made of heavy metal
Support rings are cast in, which in turn are connected to the piston material in the area of the piston pin bosses and are movable perpendicular thereto in the shaft surfaces on the pressure side, is according to the invention
Pistons are ground free in the area of the bolt eyes in a manner known per se or their shank is oval-shaped, while the support rings have cast-in mountings for connection to the piston material and are completely or partially freely adjustable between them. The rings must therefore in the area of the firm connection with the piston material, whose thermal expansion inevitably participate and at the same time take over the raceway pressure in the cylinder on the piston body in the cold state.
The support rings made of heavy metal, which are also cast in during casting of the piston, are, for. B. pierced on their circular peripheral part parallel to the piston pin axis, and connected to each other by webs running transversely to the piston pin axis. According to a further embodiment of the piston according to the invention, the end faces of the support rings are undercut against the interior of the piston, in particular designed to be trapezoidal in cross-section, so that they can be moved in the radial direction after casting, avoiding standing free.
If it is assumed that a ring whose material has a coefficient of thermal expansion of 10 x 10 mm / mmoC, is poured into a piston material with a coefficient of thermal expansion of 20 x 10-6 mm / mm C and is then pierced, then such a ring cannot only split in half of the running clearance, but also move below this value in the cylinder, since the greater expansion of the piston causes an elastic deformation of the ring, and this results in a further reduction in the running clearance between the ring and the cylinder. A ring arranged in this way takes over the guidance of the piston on the cylinder wall in the cold state, whereby tilting or rattling of the piston is prevented.
The more heat the piston crown absorbs while the engine is running, the more heat is dissipated to the skirt and the smaller the running clearance of the light metal piston.
Since the cast-in ring is shaped into an oval shape at the same time as the piston material heats up, where it is not permanently connected to it, the running clearance of the ring increases to the same extent as the diameter of the aluminum piston skirt. The running play of the piston at half load can thus be kept so large that in the event of a sudden change in load, galling of both the ring and the piston shaft is avoided.
In order to avoid impermissible pressure on the cylinder wall during oval deformation, it is oval at the open end of the skirt in the cold state or ground free near the piston pin eye so that only part of the circumference is effective as a load-bearing surface. When fully loaded, the piston is guided solely by the aluminum shaft, so that heat is transferred perfectly to the cylinder.
The heavy metal ring can be designed and arranged in such a way that it acts as a ring web with a corresponding width or also forms part of the piston skirt itself.
The invention also has the advantage that the rings can be used for pistons of all types of internal combustion engines, and that the running clearance of the pistons in the cold state is reduced to a minimum. The running clearance of one or more such rings in the cold state can even be smaller than the running clearance of a gray cast iron piston of the same cylinder diameter.
The piston equipped with the rings arranged according to the invention is also distinguished by the fact that it has no transverse slot. As a result, such pistons can also be built into slot-controlled two-stroke engines without the functioning of these pistons being affected. Compared to all other control pistons, there is the great advantage that the heat is dissipated unhindered from the ring part when the load is high on the shaft. It is thus possible to achieve smooth piston running, even in air-cooled engines, without preventing heat from being dissipated from the piston or overheating the piston head.
FIGS. 1-6 show corresponding exemplary embodiments of the subject matter of the invention. Figs. 1 and 2
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each represent partly a longitudinal section through a vehicle diesel piston and partly a view of such a piston. FIGS. 3 and 4 are each a cross section through the pistons according to FIGS. 1 and 2, the section being taken through the upper rings. FIG. 5 shows a perspective representation of a special version of the ring, while FIG. 6 shows a further possible configuration of the ring in its arrangement in a piston, which is shown partly in longitudinal section and partly in view.
A light metal piston 1 is equipped with rings 2 and 3 as shown in FIG. One of these rings is located above the piston pin between the upper oil control ring and the piston ring above it, which is not particularly shown. The other ring 3 is provided below the lower oil control ring, which is also not shown. The cylinder wall bears the reference number 4. The running play in the cold state is indicated by a gap 5, while the rings have running play 6 when the pistons are at operating temperature.
According to the representation in FIG. 2, the upper ring 8 is located above the piston pin, while the lower ring 9 is located between two lower oil control rings. The piston 7 is intended in this case for a two-stroke engine. The free movement of these rings is achieved by piercing the grooves 10, 11 and 12. The running game in the cold state is again denoted by 5, that in the warm state by 6.
The left part in Figs. 3 and 4 illustrates the cold state of the pistons. The gap 13 is located between the ring 2 in FIG. 3 and the piston body 1. In this state, due to the oval shape of the piston, there is a greater running clearance 14 with respect to the inner wall of the cylinder in the vicinity of the piston pin. The ring 2 is firmly connected in the areas not pierced by webs 15 in the piston body 1 with its material. The webs 15 therefore inevitably take part in the movement of the material of the piston body during its thermal expansion, so that the ring 2 is elastically deformed on the exposed outer surfaces on the piston circumference in such a way that a gap 6 is created between the ring 2 and the cylinder wall 4.
The spaces 13 and 14 become smaller and smaller as they are heated and can, if necessary, be completely filled by the piston body.
The ring 9 according to FIG. 4 is oval in its outer circumference. In the cold state there is a gap 13 between the ring 9 and the piston body. In the direction of the piston pin, there is a clearance 14 with respect to the inner wall of the cylinder. The ring 9 is pierced free over its entire circumference, but not freely movable everywhere, but is firmly anchored to the piston material by cams 16 and / or bracket 17.
The number of rings is not limited to two. It can e.g. B. three rings can be provided, for example in an arrangement according to 2.8 and 9 (Fig. 1, 2).
In order to prevent the rings from moving in the direction of the longitudinal axis of the piston after the undercutting, they are provided with special holders. As shown in FIG. 5, which shows a ring design according to FIG. 3, these can consist of the formation of special recesses 18 on the inside of the ring 19. They engage in correspondingly designed noses or projections which are provided on the surface of the piston material, which is not particularly shown.
The same effect as is achieved by undercutting also occurs when the rings are given a cross-section that allows the ring to move freely transversely to the direction of the piston pin after casting. Such a possibility exists in the case of a selected trapezoidal ring cross-section, as can be seen in FIG. 6. When the piston material shrinks in the shaft 24, an annular gap is created between the flanks 21 and 22 of the ring 23, so that the ring 23 is free to move relative to the piston material in both the radial and axial directions. In order to prevent the ring from moving in the area of the non-load-bearing skirt surfaces, it is held in place in the piston material; for example by the arrangement of bracket-like members 25.
PATENT CLAIMS: 1. Light metal pistons, with support rings made of heavy metal, which are connected to the piston material in the area of the bolt eyes and are movable perpendicular thereto in the shaft surfaces on the pressure side, characterized in that it (1) is ground free in the area of the bolt eyes in a known manner Shank is oval-shaped, and that the support rings (2, 3, 8, 9, 19, 23) have brackets (18) cast in for connection to the piston material, and are completely or partially freely movable between them.