<Desc/Clms Page number 1>
Ungeschlitzter Vollschaftkolben aus Leichtmetall, insbesondere für Dieselmotoren
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
schaftkolben erreicht wird. Insbesondere ergeben die hülsenförmigen Einlagen, zusammen mit ihrer völligen Aussenabdeckung durch Leichtmetall eine die Wärmedehnung steuernde Bi-Metallwirkung, bei welcher auch die den Bolzenaugen benachbarten Kolbenteile durch eine gewisse Zangenwirkung beteiligt sind.
Bei der Herstellung des Kolbens schrumpft der äussere Aluminiummantel nach dem Guss auf die hülsenförmige Einlage auf, wodurch in dem diese umschliessenden Leichtmetallmantel eine erhebliche Spannung entsteht. Da die Betriebstemperatur des Kolbens wesentlich unter der Giesstemperatur liegt, werden diese Spannungen nur teilweise abgebaut, wobei durch die Dehnung hemmenden Einlagen in deren gesamten Bereich eine annähernd gleichmässige Ausdehnung des gesamten Schaftumfanges erreicht wird.
Der obere Rand der Hülse kann auf deren ganzem Umfang von der oberen Ölringnut angeschnitten sein. Sofern eine untere Ölringnut am Kolben vorgesehen ist, was bei Kolben für Dieselmotore häufig der Fall ist, kann der untere Rand der hülsenförmigen Einlage ganz oder auf einem Teil des Umfanges bis an die obere Flanke dieser Nut reichen oder auch im Abstand vor dieser enden. Durch die verschiedenen Ausführungsformen kann die Regelwirkung nach Wunsch modifiziert werden.
In der Regel wird der innerhalb der Hülse liegende Teil der Schaftwand dicker sein als der ausserhalb der Hülse liegende Teil, welcher zusammen mit der Einlage die Bi-Metallwirkung ergibt. Im Interesse einer guten Wärmeableitung kann der innerhalb der hülsenförmigen Einlage befindliche Teil der Schaftwand doppelt so dick oder mehrfach so dick als der ausserhalb der Hülse liegende Teil ausgeführt werden.
Erfindungsgemäss ist also neben dem äusseren Bi-Metallglied, das aus einer einstückigen oder einfach oder mehrfach axial geschlitzten Schwermetallbuchse und dem daran aussen angegossenen Laufmantel des Kolbens aus Aluminiumlegierung besteht, eine starkwandige Innenpartie des Kolbens geschaffen, welche die Wärmemengen vom Kolbenkopf nach den kühleren Kolbenschaftteilen, insbesondere nach dem unteren Kolbenende abführt und dabei noch durch die von der Kurbelwelle und der Pleuelbewegung hervorgerufene Ölspritzkühlung gekühlt werden kann.
Die Unterschiede zwischen der linearen Wärmedehnung von Leichtmetall und Schwermetall kommen dabei nicht nur in der bi-metallischen Verformung der beiden Aussenschichten zur Wirkung. Durch die grössere Schrumpfung des starkwandigen Innenteiles des Schaftes aus Leichtmetall schrumpft dieser von der hülsenartigen Schwermetalleinlage nach innen weg und gibt dadurch dem Bi-Metallteil den Weg zur wirksamen Verformung frei.
Bei der Bearbeitung des Kolbens, in dessen Schaft die einteilige, ungeschlitzte oder geschlitzte bzw. mehrteilige Hülse eingegossen ist, kann die obere Ölringnut so eingestochen werden, dass dadurch der Hülsenrand frei gelegt wird. Gleiches gilt für eine etwa vorgesehene untere Ölringnut. Dadurch wird die Ablösung des äusseren bi-metallischen Körpers von dem inneren Schaftteil des Kolbens möglich. Die Kolbenringnuten können aber auch schon beim Giessvorgang an den Ebenen der beiden Hülsenenden vorgesehen werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstrecken die hülsenförmigen Einlagen sich bis zum Schaftende oder bis in die Nähe des Schaftendes und sind durch die in ihrem Bereich liegenden Ringnuten, z. B. durch im unteren Teil des Schaftes angeordnete Ringnuten, durchgeschnitten oder angeschnitten. Die hülsenförmigen Einlagen können sich erfindungsgemäss auch bis in den Kolbenkopf, gegebenenfalls bis an den Kolbenboden, erstrecken und sind ebenfalls im Bereich der Ringnuten durchgeschnitten oder angeschnitten. Die hülsenförmigen Einlagen sind also bei diesen Ausführungsformen nicht mehr durch eine obere und gegebenenfalls untere Ölringnut begrenzt.
Versuche haben ergeben, dass bei einem solchen Vollschaftkolben mit sich mehr oder weniger über die ganze Höhe des Kolbenschaftes und gegebenenfalls auch des Kolbenkopfes erstreckenden Hülsen bzw.
Büchsen nicht nur eine mit Rücksicht auf die Wärmedehnung erwünschte Steuerung der Kolbenform in allen Höhenlagen ermöglicht ist, sondern dass auch unter schweren Betriebsbedingungen ein guter Wärmeabfluss vom Kolbenkopf zu den kühleren Teilen des Schaftes in hervorragender Weise gewährleistet ist.
Dabei kann die hülsenförmige Einlage einstückig oder aus zwei oder mehr übereinander angeordneten Büchsenabschnitten bestehen. Die Einlage bzw. die Büchsen können ferner im Kolben so angeordnet sein, dass der Grund der Ringnuten ohne Durchschneiden der Büchse auf deren Aussenfläche oder in geringem Abstand vor dieser Fläche liegt.
Die Hülsen können im Bereich der tragenden Schaftflächen in axialer Richtung geschlitzt sein, jedoch können ein oder mehrere axiale Schlitze auch an solchen Stellen des Kolbenumfanges vorgesehen sein, die ausserhalb der tragenden Schaftflächen liegen, Schliesslich können die an beliebigen Stellen des Umfanges vorgesehenen Schlitze auch schräg oder in Kurvenform verlaufen. Auf diese Weise ist es möglich, weitere Variationen der Bi-Metallwirkung je nach den betrieblichen Erfordernissen herbeizu-
<Desc/Clms Page number 3>
führen und durch entsprechende Lage und Form der Schlitze weiche Übergänge für die bi-metallische Verformung zu erzielen.
Weitere Einzelheiten und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele.
Fig. 1 und 2 zeigen in senkrechtem Mittelschnitt und im Querschnitt durch die Kolbenbolzenachse einen Leichtmetallkolben, bei welchem der Kolbenkopf 1 am Boden der Ölringnut 5 vorbei in den starkwandigen Innenteil 2 des Kolbenschaftes übergeht. Die aus Schwermetall bestehende Hülse 3 ist derart in den Kolbenwerkstoff eingegossen, dass sie aussen vollständig von dem Schaftmantel 4 aus Leichtmetall abgedeckt ist, mit welchem sie ein bi-metallisches Aggregat 3,4 bildet. Die obere Ölringnut 5 und die untere Ölringnut 6 sind so eingestochen, dass der obere und der untere Hülsenrand in den Ebenen 12 und 13 bis an die Flanken dieser Ringnut reichen. Die Hülse 3 wird durch das Bolzenauge 7 gehalten und ist sowohl gegen axiale Verschiebung als auch gegen Drehung in der Umfangsrichtung gesichert.
Während des Gusses des Kolbens in der Kokille wird die Hülse durch in die Löcher 8 ragende Verankerungsglieder gehalten.
Der in Fig. 2 dargestellte Grundriss lässt erkennen, dass die Hülse eine von der Kreisform abweichende Gestalt haben kann. Im Bereich des einen Bolzenauges ist die Hülse abgeflacht und verläuft in Richtung einer Sehne, während an dem andern Bolzenauge ein mehrkantiger Verlauf der Hülsenwand dargestellt ist. Die Hülse kann auf der einen tragenden Fläche des Kolbenschaftes einen axial verlaufenden Schlitz 9 aufweisen und gegebenenfalls auf der gegenüberliegenden tragenden Fläche einen weiteren Schlitz 15, so dass sie in diesem Fall aus zwei Teilen besteht.
Geschlitzte Hülsen bieten den Vorteil, dass sie aus Bandmaterial gestanzt und gebogen werden können. Ferner bieten die Schlitze die Möglichkeit, die Verformung des Kolbens an bestimmten Stellen des Umfanges unsymmetrisch zu gestalten, was besonders für die richtige Einpassung von thermisch ungleichmässig belasteten Kolben, z. B. bei Zweitaktmotoren, von Bedeutung ist.
Durch die Ziffer 10 in Fig. 1 ist angedeutet, dass der dickwandige Teil 2 des Kolbenschaftes sich bei der Erstarrung des Rohlinges von der Hülse 3 abheben und einen schmalen Spalt bilden kann.
Fig. 3 und 4 zeigen ebenfalls im axialen Mittelschnitt und im Querschnitt eine Ausführungsform, bei welcher der starkwandige Innenteil 2 des Schaftes sich nicht über den ganzen Umfang erstreckt, sondern nur im Bereich der beiden Bolzenaugen und der beiden tragenden Schaftflächen vorhanden ist. Dazwischen liegen axiale Aussparungen 11, durch welche die Wärmeverformung des Kolbens beeinflusst wird. Auch ist in diesem Fall die Höhe der Hülse an den verschiedenen Stellen des Umfanges verschieden, so dass sich Aussparungen bzw. Randausschnitte 14 gegenüber den Ebenen 12 und 13 ergeben. Infolge dieser Aussparungen werden die beiden Hülsenenden beim Einstechen der Ringnuten nur auf Teilen des Umfanges angeschnitten.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform im axialen Mittelschnitt, bei welcher die Hülse 3 zwar von der unteren Flanke der oberen Ölringnut 5 ausgeht aber mit ihrem unteren Rand 16 in einem gewissen Abstand vor der unteren Ölringnut 6 endet. Durch solche Abweichungen der Bauart können die Regelwirkungen in den verschiedenen Höhenlagen des Schaftes nach Wunsch geändert bzw. beeinflusst werden.
Fig. 6 und 7 zeigen in perspektivischer Ansicht Teile von hülsenförmigen Einlagen, von denen die in Fig. 6 dargestellte einen kurvenförmig begrenzten Randausschnitt 21 hat, während die in Fig. 7 gezeigte verschieden geformte Lochungen 17 und 18 aufweist. Die beiden Figuren zeigen ausserdem, dass die Hülse bzw. die Hülsenteile an verschiedenen Stellen ihres Umfanges verschieden dick sein können. So ist bei 19 eine Erhöhung der Wandstärke und bei 20 eine Verminderung derselben durch gestrichelte Linien angedeutet. Auch hiedurch kann die Regelwirkung nach Wunsch bemessen werden.
In Fig. 8 ist ein Vollschaft-Leichtmetallkolben im Axialschnitt dargestellt, bei welchem die hülsenförmige Einlage 23 aus Schwermetall sich in dem Kolbenschaft 22 nicht nur von der im Kolbenkopf 21 angeordneten Ölringnut 25 bis zu einer im unteren Teil des Schaftes vorgesehenen Ölringnut 26, sondern bis an das untere Ende des Schaftes erstreckt. Dabei kann der untere Teil der Hülse als eine gesonderte Büchse 27 in den Kolbenwerkstoff eingegossen sein. Es ist aber auch möglich, eine durchgehende Hülse einzugiessen und diese beim Eindrehen der Ringnuten zu durchschneiden. Bei einer andern, nicht gezeichneten Ausführungsform kann man bei durchgehender Hülse die Ringnuten nur so weit eindrehen, dass diese die Hülse gerade anschneiden oder dass der Nutengrund dicht vor der Aussenwandung der Hülse liegt.
Bei dem gezeichneten Beispiel reichen die Hülse bzw. gesondert eingelegte Büchsen 28 nach oben bis an die Bodenfläche 24 des Kolbenkopfes 21. In diesem Fall sind sämtliche Ringnuten 29 so
<Desc/Clms Page number 4>
tief ausgedreht, dass sie die Hülse durchschneiden. Dabei bilden die Schnittkanten der Hülsenabschnitte erwünschte Bewehrungen der Nutenflanken.
In Fig. 9 ist ein Kolben im Kaltzustand dargestellt. Der Kolbenquerschnitt ist oval. Dieser ovale Querschnitt ist durch Bearbeitung entstanden. Anlässlich des Giessens des Kolbenrohlinges wurde eine aus Schwermetall bestehende Hülse 3 in die Form eingelegt und aussen und innen mit Aluminium umgossen. Während die äussere Aluminiumhülle 4 mit der Hülse 3 durch Aufschrumpfen des äusseren Mantels 4 ein Bi-Metallglied bildet und die Hülse 3 unter Schrumpfspannung hält, hat sich die innere Aluminiumwand 2 von der Schwermetallhülse 3 durch Schrumpfung nach innen abgehoben, so dass ein etwa sichelförmiger Zwischenraum 30 entstanden ist.
Die innere Aluminiumwand 2 dient hauptsächlich der Wärmeabfuhr, während die bi-metallische Kombination 3,4 der Regelung des Kolbenumfanges bei Erwärmung dient. Nachdem das Eingiessen bei etwa 7500C erfolgt und die Erstarrung der in Frage kommenden Legierungen bei etwa 570 - 5800C beendet ist, beginnt also der Schrumpfvorgang der Glieder 3,4 und der Abhebevorgang des inneren Mantels 2 bei der Erstarrungstemperatur, um sich bis zur Zimmertemperatur fortzusetzen.
Erst wenn beim Betrieb des Motors wieder eine Betriebstemperatur von 570 bis 5800C im Kolben auftreten würde, wären alle Spannungen behoben und alle Zwischenräume 30 aufgefüllt. Da aber im Motor höchstens Betriebstemperaturen um 340 C auftreten, besteht zwischen den bi-metallischen Verbundgliedern 3,4 bei dieser Temperatur immer noch eine gewisse Spannung, wie auch der Zwischenraum 30 durch die Ausdehnung des inneren Mantels 2 nicht wieder völlig, jedoch annähernd geschlossen wird.
In Fig. 10 ist der Kolben im Warmzustand dargestellt. Durch die bi-metallische Wirkung und teilweise Aufhebung der zwischen den Teilen 2 und 3 bestehenden Spannung ist eine Änderung der Ovalität des Kolbens unter Bildung einer Kreisform erreicht worden, wie dies bei allen bi-metallischen Kolben auftritt.
Die innere Hülse 2 hat einen Teil des Zwischenraumes 30 wieder ausgefüllt und kommt damit in einem grösseren Bereich zur Anlage an die Einlage 3. Sie ist somit in der Lage, die aus dem Kolbenkopf über starke Innenpartien 2 abgeführten Wärmemengen in breiten Bereichen an kühlere Kolbenschaftflächen über die Einlage 3 an die eigentliche Lauffläche 4 abzugeben.
Erfahrungsgemäss wird der dem Brennraum näherliegende Teil des Kolbens, nämlich der Kolbenkopf, am wärmsten, während nach dem offenen Schaftende zu nur noch durch Wärmeleitung eine Erwärmung erzeugt wird. Somit ist es erwünscht, im wärmeren Teil des Kolbens eine andere Regelwirkung auftreten zu lassen, als im kühleren Teil des Kolbens. Um nun eine Verspannung der Kolben über rein zylindrische Vollhülsen zu vermeiden, schafft man Einlagen, die eine Anpassung der bi-metallischen Wirkung an die in einzelnen Höhenschnittebenen unterschiedlichen Bedürfnisse ermöglichen. Diese Anpassung ist als eine Abstimmung der bi-metallischen Wirkung auf die Ausdehnung des Leichtmetallwerkstoffes in Richtung der tragenden Schaftflächen zu bezeichnen. Bei Kolben älterer Bauart ist diese Anpassung durch Formgebung der Einlagen, z. B.
Aussparungen in den Einlagen oder die Verformung verhindernde Leichtmetallwülste in den Kolben, erzielt worden. Man hat auch die Stärke der Einlagen oder der Kolbenwandungen in axialer Richtung variiert, um auf diese Weise eine Verstärkung oder Abschwächung des bi-metallischen Effektes zu erreichen.
PATENTANSPRÜCHE. :
1. Ungeschlitzter Vollschaftkolben aus Leichtmetall, insbesondere für Dieselmotoren, mit die Wärmedehnung steuernden, eine Bi-Metallwirkung ergebenden, hülsenförmigen, sich im wesentlichen über den ganzen Kolbenumfang erstreckenden Einlagen aus einem Metall geringerer Wärmedehnungszahl als der Kolbenwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die hülsenförmigen Einlagen (3, 23) von der unteren Flanke der oberen Ölringnut (5,25) ausgehen und mit ihrer Innenseite auf dem vom Kolbenkopf zum Schaftende durchgehenden Kolbenschaft (2) oder auf in dieser Richtung durchlaufenden Wandteilen des Schaftes aufliegen und auf ihrer Aussenseite in an sich bekannter Weise völlig von Leichtmetall (4) abgedeckt sind.