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Ovaler Aluminium-Regelkolben mit gekrümmten Schwermetalleinlagen
Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellten oval geformten Kolben, der als Regelkolben für hohe thermische und mechanische Beanspruchungen mit Schwermetalleinlagen ausgerüstet ist und ein kleines Laufspiel aufweist.
Die Anordnung von Regelgliedern in Form von Ringen, Streifen, Segmenten oder andersartigen Elementen verschiedenster Ausführung im oberen Teil und gegebenenfalls in der Nähe des offenen Endes des Kolbenschaftes ist bekannt. Weiterhin sind aber auch Ausführungen nicht mehr neu, bei welchen die Regelglieder in Form von breiten Stahlblechstreifen in der Nähe der Kolbenbolzenaugen, ein-oder mehrteilig ausgebildet, eingegossen sind. Regelglieder in Form von Stäben, die eingegossen werden und hiedurch die wirkliche Temperaturdehnung des Schaftes beeinflussen, haben ebenfalls bereits Anwendung gefunden.
Diese bisher allgemein üblichen Regelglieder sprechen an, u. zw. entweder infolge des grossen Unterschiedes des Wärmeausdehnungskoeffizienten ihres Werkstoffes gegenüber dem des Kolbens oder infolge einer Bimetallwirkung oder auch durch eine Art Fassreifeneffekt.
Die als Bimetallregelglieder allgemein verwendeten gekrümmten Schwermetalleinlagen in Form von Bändern oder Streifen sind vielfach im Bereich der Bolzenaugen angeordnet und durch Umgiessen an ihren Längsseiten im Werkstoff des Kolbens festgehalten. Nach dem Erstarren und anschliessendem Abkühlen auf Raumtemperatur zieht sich das Leichtmetall entsprechend seinem Wärmeausdehnungskoeffizienten stärker zusammen als die Schwermetalleinlage. Da die letztere aber an ihren Längsseiten, welche in der Laufflächenzone, also quer zur Bolzenachse liegt, im Kolbenwerkstoff festgehalten ist, tritt eine Krümmung des Laufflächenteiles entgegen dem normalen Schrumpfbestreben des Leichtmetalles ein. Hiedurch wird der Betrag, um den das Leichtmetall normalerweise schrumpft, in seiner Abmessung verkürzt.
Während des Betriebes, also beim Erwärmen, ist daher die Ausdehnung des Kolbenschaftes in Richtung der Lauffläche im entsprechenden Masse verkleinert. Auf diese Weise erfolgt die Bimetallregelwirkung. Der Betrag der Schrumpf-bzw. Ausdehnungsverktirzung in Laufflächenrichtung entspricht der für die angestrebte Verringerung des Laufspieles nutzbaren Regelwirkung.
Es sind auch schon Ausführungen von Regelkolben bekannt geworden, bei denen gekrümmte Schwermetalleinlagen im Bereich zwischen den Kolbenbolzenaugen, also auf der Laufflächenseite, als bimetallische Regelglieder angebracht und beidseitig im Kolbenkörper verankert sind ; also an der Stelle, an der der Mantel in die Bolzennaben übergeht. Die Bimetallwirkung äussert sich hiebei dadurch, dass eine dem Dehnungsbestreben der Bolzennaben entgegenwirkende Kraft auftritt. Der Kolben wird sich daher in Richtung der Kolbenbolzenachse während des Betriebes weniger ausdehnen als senkrecht dazu. Ein solches Verhalten bedingt aber, dass der in seinem Ausdehnungsbestreben zu beeinflussende Teil des Kolbens, nämlich im Bereich der Bolzennabenzone verformbar ist.
Diese Regelwirkung erlaubt jedoch im Bereich der Laufflächen keine Ausdehnungsverminderung.
Schliesslich sind Regelkolben bekannt geworden, bei denen die gekrümmten Schwermetalleinlagen in den Schaftteilen zwischen den Kolbenbolzennaben vorgesehen und diese Einlagen im Bereich der Bolzennaben endseitig verankert sind, wobei der Kolbenschaft selbst auch im Bereich der eingegossenen Schwer-
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; auchFig. l, 2,3 und 7 sind Längsschnitte durch einen Leichtmetallkolben. Fig. 4 stellt einen Horizontalschnitt eines Kolbens in Richtung A-B nach Fig. 3 dar, wobei die linke Seite den kalten und die rechte Hälfte den betriebswarmen Zustand veranschaulichen. Fig. 5 ist teils ein Schnitt durch ein Bolzenauge, teils eine Ansicht. Fig. 6 lässt einen Horizontalschnitt eines Regelkolbens durch die Mitte der Kolbenbolzenaugen erkennen.
In sämtlichen Figuren sind der Kopf des Aluminiumkolbens mit a, sein Schaft mit b und die Schwermetalleinlagen mit c bezeichnet. In einem Aluminiumkolben a sind im Schaft b die gekrümmt ausgeführten plattenförmig gestalteten Schwermetalleinlagen c eingegossen, wobei sie sich in ihrer Längsrichtung über den grössten Teil des Schaftes erstrecken und gegebenenfalls auch noch bis in
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destens auf einer für den Wärmeaustausch massgebenden Tragfläche, wie den Fig. 4 und d entnommen werden kann. Die streifen- bzw. plattenförmigen Schwermetalleinlagen c können gegebenenfalls zur besseren Verankerung Aussparungen e (Fig. 2) aufweisen. Die Einlagen bestehen also aus einem metallischen Werkstoff, der einen kleineren Wârmeausdehnungskoeffizienten aufweist, als ihn der Kolbenwerkstoff besitzt.
Wie die Fig. 1 im linken Teil erkennen lässt, ist die Schwermetalleinlage c so im Kolbenschaft angeordnet, dass sie vollkommen in demselben eingebettet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, entsprechend der Darstellung in der rechten Seite der Fig. 1 und 2 die Einlage so weit nach innen in den Kolbenhineinzuverlegen, dassgegebenenfalls nur ein in axialer Richtung sich erstreckender Teil f bzw. g der Ringpartie auf der Innenseite der Einlage c verbleibt.
Um die Regelwirkung zu andern, genügt es, wenn die Einlage c mit einem Steg h versehen wird, wie dies der linken Hälfte der Fig. 2 entnommen werden kann. Das Widerstandsmoment des Streifens wird nämlich durch eine solche Ausbildung vergrössert, so dass sich entsprechend die angestrebte Regelwirkung ändert.
Die Schwermetalleinlage kann ferner auch kegelförmig so gestaltet sein, wie es im rechten Teil der Fig. 2 angegeben ist. In vertikaler Richtung weist sie, von der Ringpartie aus betrachtet, nach dem offenen Ende des Schaftes hin unterschiedliche Stärken auf, so dass sie im Querschnitt als Keilem ; heint.
Die Zahl der Schwermetalleinlagen kann verschieden gross gewählt werden. Dabei ist daran gedacht, mehrere kleinere einzelne Einlagen entsprechend der Ausführung im linken Teil der Fig. 3 übereinander anzuordnen und ihre Längsabmessungen verschieden gross zu wählen. In der Umfangslänge können diese Teile ebenfalls unterschiedlich ausgeführt werden.
Esbestehtfernerdie Möglichkeit, die Schwermetalleinlage sich in axialer Richtung des Kolbenschaftes verjüngen zu lassen (Fig. 5).
Die Schwermetalleinlagen c nach Fig. 4 liegen innerhalb des Kolbenwerkstoffes, u. zw. des Schaftes b. Beim Schrumpfen des Kulbenwerkstoffes setzen die Einlagen c auf ihrer nach aussen gekrümmten Seite hin dem Schrumpfbestreben des Kolbenwerkstoffes einen Widerstand entgegen, so dass auf der Innenseite der gekrümmten Einlagen der Kolbenwerkstoff normal schrumpft und somit ein Spalt i entsteht, während der Kolbenwerkstoff auf der Aussenseite der Krümmung ohne Zwischenraum dicht auf die Oberfläche der Einlagen c zu liegen kommt. Während des Betriebes, also beim Erwärmen und Ausdehnen des Kolbens, wächst der Schaft in radialer Richtung. Während die rechte Seite der Fig. 4 den Betriebszustand zeigt, lässt die linke Seite den Ruhezustand erkennen. Während des Betriebes verschwindet der Spalt i mehr oder weniger, je nach der thermischen Beanspruchung des Kolbens.
Der inder Fig. 4 erkennbare strichpunktierte Linienzug. k zeigt gegenüber der ausgezogenen Kolbenumfangslinie in stark übertriebenem Massstab, wie die Schwermetalleinlagen c arbeiten.
Die Enden der Einlagen c sind im Kolbenwerkstoff festgehalten und vorteilhaft nach innen bei n und m abgebogen. Die Formgebung und Abmessung derselben wird in der Praxis in der Regel so gewählt, wie es der Darstellung nach Fig. 4 entnommen werden kann.
Die Bogenlänge der Schwermetalleinlagen kann je nach dem Grad der erwünschten Regelwirkung verschieden gross ausgeführt sein. Weiterhin können sie in dem Schaft b so eingegossen sein, dass sie mehr oder weniger weit vom äusseren Umfang des Schaftes entfernt zu liegen kommen. Auf diese Weise gelingt es, die auftretenden Spannungen und damit die Regelwirkung je nach Bedarf einzustellen. Die Fig. 6 und 7 lassen einen Extremfall erkennen, bei dem auf der rechten Seite die Einlage c die Schaftwand selbst bildet und als tragendes Element des Kolbens im Zylinder wirksam wird.
Die Schwermetalleinlagen c können ferner eine oder mehrere Durchbrechungen aufweisen. Hiedurch wird die Regeiwirkung an diesen Stellen stark geschwächt bzw. aufgehoben. Eine derartige Ausführung ist im Grundriss der linken Seite der Fig. 6 ersichtlich. Hier ist ein Loch o angedeutet.
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Es ist nicht unbedingt erforderlich, auf beiden Seiten des Kolbenschaftes Schwermetalleinlagen vorzusehen. Wenn nur eine kleine Regelwirkung erzeilt werden soll, kann eine einzige Einlage ausreichen.
Die letztere wird dann vorzugsweise auf der weniger belasteten Seite des Kolbenschaftes vorgesehen.
Ein Kolben, der mit einem besonders kleinen Laufspiel in den Ringteil eingebaut werden muss, beispielsweise ein Kolben in schlitzgespülten Zweitaktmotoren, kann, eine Einlage c erhalten, die bis in den Ringteil des Kolbens sich erstreckt, wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist. Emzelne Ringstege können hiedurch in ihrer Ausdehnung durch die Einlage so beeinflusst werden, dass sie mit einem kleinerenLaufspiel arbeiten.
Die mit der erfindungsgemáss angeordneten Schwermetalleinlage ausgerüsteten Kolben können auch als Schlitzkolben Anwendung finden, wobei die Schlitze zwischen dem Schaft und dem Ringteil in horizontaler Richtung liegen. Dabei handelt es sich um sehr niedrig beanspruchte Kolben, wie z. B. um solche für wassergekühlte Otto-Motoren.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Ovaler Aluminium-Regelkolben mit gekrümmten Schwermetalleinlagen, die in seinen Schaftteilen imBereich zwischen den Kolbenbolzennaben vorgesehen und im Bereich der Bolzennaben endseitig verankert sind, wobei der Kolbenschaft auch im Bereich der eingegossenen Schwermetalleinlagenlängsschlitzlos ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetalleinlagen (c) mit dem Kolbenschaft (f, g) frei von einer Haftverbindung sind und bis in den Ringteil (d) des Kolbens (a) sich erstrecken, wobei die Bolzennaben über den Ringtell und den Kolbenboden verformungssteif ausgebildet sind.
2. Kolben nachAnspruehl, dadurch gekennzeiehnet, daB die Krummung der Schwerme- talleinlagen (c) sowie ihre Querschnitte in der Umfangs- und bzw. oder Längsrichtung verschieden stark bemessen sind (Fig. 2).
3. Kolben nach den AnsprÜchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwermetalleinlagen (c) zur Beeinflussung der Regelwirkung eine oder mehrere Durchbrechungen (o) aufweisen (Fig. 6).
4. KolbennachdenAnspruchenIbisS, dadurch gekennzeiehnet, daB die Schwermetall- einlagen (c) auf der Innenseite längs ihres Umfanges mit einem oder mehreren Stegen (h) ausgerüstet sind (Fig. 2).
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