AT402327B - Kolben für eine brennkraftmaschine - Google Patents

Description

ΑΤ 402 327 Β

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenkopf, einem sich um diesen herum erstreckenden Ringband mit Kolbenringen, einer Kolbenbolzenbohrung und zwei Mantelteilen, die auf gegenüberliegenden Seiten einer die Achsen des Kolbens und der Kolbenbolzenbohrung enthaltenden Ebene liegen und jeder mit zumindest einer von ihm radial vorspringenden, aus seinem Material geformten Lagerfläche mit hydrodynamischen Rampen zur Bildung eines Schmierfilms auf der Lagerfläche versehen sind.

Um die der Erfindung zugrundeliegenden Ausgangsüberlegungen zu verdeutlichen, soll nachfolgend als erstes eine detaillierte Beschreibung eines bekannten Standardkolbens unter Bezugnahme auf Fig.1 erfolgen, welche eine Seitenansicht des Standardkolbens ist.

Der bekannte Kolben 11 weist einen Kolbenkopf 15, einen Ringabsatzstreifen 40, einen Kolbenmantel 12 und eine Kolbenbolzenbohrung 13 auf, welche sich durch den Kolben 11 senkrecht zur Kolbenachse erstreckt. Der Kolbenmantel 12 ist durchgehend und üblicherweise im Querschnitt leicht oval, und sie hat keine gasdichtende Funktion. Die Gas- und Öldichtung wird durch Kolbenringe hergestellt, welche in einem Ringband in Umfangsnuten im Kopf des Kolbens eingepaßt werden. Für den Betrieb wird ein Pleuel (nicht gezeigt) schwenkbar mit dem Kolben 11 durch einen Kolbenbolzen (nicht gezeigt) verbunden, der sich durch die Kolbenbolzenbohrung 13 erstreckt. Da das Pleuel im allgemeinen nicht längs der Kolbenachse wirkt, liegt eine veränderliche seitliche Schubkraft vor, welche auf den Kolben 11 einwirkt und während des Arbeitszyklus einen größeren oder kleineren Schubabschnitt der Kolbenwand 12 gegen den zugeordneten Zylinder drückt. Diese Schubabschnitte liegen auf gegenüberliegenden Seiten einer die Achse der Kolbenbolzenbohrung und die Kolbenachse enthaltenden Ebene. Während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 11 steht somit nicht die gesamte Umfangserstrek-kung des Koibenmantels 12 in Berührung mit dem zugeordneten Zylinder (oder der zugeordneten Zylinderbüchse: nachfolgend wird der Einfachheit halber nur mehr auf einen Zylinder bezuggenommen), sondern nur jene Schubabschnitte des Kolbenmantels 12, welche um den Schnitt bzw. beiderseits des Schnitts des Kolbenmantels 12 mit einer Schubebene liegen, welche die Kolbenachse enthält und senkrecht zur Achse der Kolbenbolzenbohrung 13 steht. Da sich die seitliche Schubkraft während der Hin- und Herbewegung ändert, wird sich im zeitlichen Verlauf auch der Teil dieser Schubabschnitte in Berührung mit dem Zylinder zu jedem Augenblick ändern. Allerdings wird ganz allgemein jener Teil des Kolbens 11, der in ständiger Berührung mit dem Zylinder vorliegt, innerhalb eines Bereiches 14 liegen, der allgemein Schubbereich oder Kontaktfläche genannt wird und die Gesamtheit aller augenblicklichen Berührungsbereiche darstellt. Diese Kontaktfläche kann am Hauptschubabschnitt des Kolbens 11, welcher den Zylinder während des Expansionstaktes mit größerer Kraft berührt, größer sein als auf dem gegenüberliegenden kleineren Schubabschnitt, welcher den Zylinder während des Verdichtungstaktes mit größerer Kraft berührt.

Die genaue Form der Kontaktfläche oder Schubbereiche 14 ändert sich von Kolben zu Kolben, obwohl herausgefunden wurde, daß allgemein die Kontaktfläche sich über nicht mehr als 30* zu jeder Seite des Schnitts der Schubebene mit dem Kolbenmantel hin erstreckt. Es hat sich auch herausgestellt, daß für einen Kolben, der einen Nenndurchmesser D und eine Kolbenmantellänge von π 2 D/3 aufweist, die Kontaktfläche näherungsweise v D2/9 beträgt. Ein solcher Kolben wird nachfolgend als "Standardkolben" bezeichnet, und eine solche Kontaktfläche wird als "Standard-Kontaktfläche" bezeichnet.

Der Gleitkontakt zwischen dem Kolbenmantel und dem Zylinder ist durch einen Ölfilm geschmiert. Die Reibungskraft F zwischen dem Kolben und dem Zylinder als Ergebnis dieses Kontaktes ist durch die folgende Beziehung gegeben: F * VW 7, U A. wobei W = die Last, η = die Schmiermittel-Viskosität. U = die Gleitgeschwindigkeit und A = die Kontaktfläche ist.

Die Berührung zwischen den Schubabschnitten des Kolbenmantels und dem Zylinder veranlaßt proportional hohe Reibungsverluste, beispielsweise 20% der gesamten Reibungsverluste des Motors (was etwa 8% der abgegebenen mechanischen Leistung entspricht), was umgekehrt den wirtschaftlichen Treibstoffverbrauch verschlechtert. Somit kann die Verringerung der Reibung von beispielsweise 25% zwischen dem Kolbenmantel und dem Zylinder eine zusätzliche mechanische Leistungsabgabe von etwa 2% liefern, wobei in diesem Beispiel sich der für eine vorgegebene Leistung erforderliche Treibstoff um gerade unter 2% verringert. 2

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Dieser Zusammenhang impliziert, daß für eine vorgegebene Belastung, Viskosität und Geschwindigkeit die Reibungskraft durch Verringerung der Kontaktfläche verringert werden kann. Dies ist deutlich erwünscht, da, wie oben erwähnt, ein Teil der Motorleistung beim Überwinden dieser Reibung verbraucht wird.

Eine Verringerung der Kontaktfläche verringert allerdings auch die Dicke des Ölfilms zwischen dem Kolbenmantel und dem Zylinder. Es kann nur eine begrenzte Verringerung dieser Dicke hingenommen werden, denn wenn die Dicke des Ölfilms kleiner ist als die Höhe der Oberflächenrauhigkeiten des Kolbenmantels und des Zylinders, dann liegt ein gegenseitiger metallischer Kontakt vor, und die Reibungskräfte steigen plötzlich an, was zu einer Beschädigung bzw. zu einem Ausfall der Maschine führen kann.

Es ist deshalb erforderlich, während des gesamten Arbeitszyklus des Kolbens einen Ölfilm zwischen dem Kolbenmantel und dem Zylinder aufrechtzuerhalten. Dabei wurde in früheren Lösungen danach getrachtet, die (minimale) Ölfilmdicke möglichst groß zu halten, was durch Vorsehen eines Ölfilms über die gesamte Kontaktfläche des Kolbens bewerkstelligt wurde, da die minimale Ölfilmdicke der Wurzel aus der Kontaktfläche, über den sich der Ölfilm erstreckt, sowie der Wurzel der Abmessung der Kontaktfläche in Umfangsrichtung des Kolbenmantels proportional ist.

So schlägt die US 4 1 78 899 A einen Kolben vor, bei dem im Betrieb Öl um den gesamten Mantel herum vorgesehen wird, wobei auch ringförmige Lagerflächen am Kolbenmantel vorliegen, an die oben und unten schräge Rampen für eine hydrodynamische Schmierung anschließen. Dabei wird jedoch nur eine verhältnismäßig ineffiziente hydrodynamische Schmierung erzielt, und der erhaltene Reibungskoeffizient ist relativ hoch.

Aus der US 3 721 163 A ist weiters ein Kolben bekannt, in dessen Mantel Nuten eingearbeitet sind, die als Schmiermittel-Speicher dienen. Diese Nuten bewirken eine Schmiermittelzufuhr zu den benachbarten ringförmigen Lagerflächen, ähnlich wie beim Kolben gemäß der US 4 178 899 A, so daß auch hier die erwähnten Nachteile, insbesondere hinsichtlich des hohen Reibungskoeffizienten, gegeben sind. Ähnliches trifft im Prinzip auch auf den Kolben gemäß der CH 229 255 A zu, der in seinem Mantel zahlreiche Vertiefungen hat, um so eine Schmiermittelschicht mit veränderlicher Dicke zu erzielen. Dabei ist nichtdestoweniger wieder ein relativ hoher Reibungskoeffizient zu gewärtigen.

Andererseits wurde auch, konträr zum Konzept der Aufrechterhaltung eines Schmiermittelfilms im Zuge einer hydrodynamischen Schmierung, auch bereits vorgeschlagen, im Kolbenmantel besondere Einsätze anzubringen. So zeigt die CH 179 188 A ringförmige Einlagen aus einem selbstschmierenden Material; die GB 1 450 304 A offenbart plattenförmige Einsätze aus einem reibungsarmen Kunststoff-Material; und die FR 724 226 A schlägt pfropfenförmige Einsätze aus Kork vor. Alle diese Einsätze oder Einlagen haben den wesentlichen Nachteil, daß sie gesonderte Komponenten sind, die eigens gefertigt und anschließend, zum Teil auf komplizierte Weise, im Kolbenmantel befestigt werden müssen; ferner haben sie nur eine begrenzte Lebensdauer.

Es ist nun Ziel der Erfindung, einen Kolben der eingangs erwähnten Art vorzusehen, der mit besonders niedrigen Reibungsverlusten behaftet ist. Die Erfindung basiert dabei darauf, daß erkannt wurde, daß die Schmiermittelfläche (Ölfilmfläche) - und damit einhergehend der Reibungskoeffizient - bedeutend reduziert werden kann, wenn die hydrodynamische Schmierung in bestimmter Weise, auf örtlich begrenzte Lagerflächen, beschränkt wird.

Demgemäß ist der erfindungsgemäße Kolben der eingangs angeführten Art dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige(n) Lagerfläche(n) nur auf einem Teil des zugehörigen Mantelteils, sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung gesehen, geformt ist (sind), daß die Lagerfläche(n) um weniger als 125 um vom zugehörigen Mantelteil vorspringt (vorspringen) und daß sich die hydrodynamischen Rampen mit einem Rampenwinkel von weniger als 1,5* zwischen dem Mantelteil und der (den) Lagerfläche(n) erstrecken, um einen Druckölfilm zwischen der (den) Lagerfläche(n) und einem zugehörigen Zylinder beizubehalten. Mit derartigen diskreten Lagerflächen, in Verbindung mit den angegebenen Rampen, gelingt es, lokal beschränkte Druckölfilme beizubehalten, die auch eine Reduzierung der im Schmieröl wirkenden Kräfte bzw. des Reibungskoeffizienten zwischen Kolben und Zylinder, so daß die Wirtschaftlichkeit der Maschine erhöht wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. Es zeigen: Fig.1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Standardkolbens, wie bereits einleitend erläutert; Fig.2 eine Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens; Fig.3 einen schematischen Schnitt durch eine Lagerfläche des Kolbens der Fig.2 gemäß einer Ebene, welche die Kolbenachse enthält; Fig.4 eine Schnittansicht ähnlich Fig.3, wobei eine modifizierte Form der Lagerfläche gezeigt ist; Fig.5 eine Schnittansicht ähnlich Fig.4, die eine weitere Form der Lagerfläche zeigt; Fig.6 graphisch die Änderung der Leistungsabgabe und des spezifischen Treibstoffverbrauches in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, und zwar für einen Motor, der mit Kolben ausgestattet ist, wie er in Fig.2 3

AT 402 327 B (gestrichelte Linien) bzw. Fig.7 (gestrichelte Linie mit kurzen Strichen) gezeigt ist, verglichen mit einem Standardkolben (durchgezogene Linie); Fig.7 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Kolbens; Fig.8 eine Ansicht einer dritten Ausführungsform des Kolbens; und Fig.9 eine Ansicht einer vierten Ausführungsform des Kolbens. 5 In den Ausführungsbeispielen der nun zu beschreibenden Erfindung sind Teile, die den Fig.1 und 2, 3, 4, 5, 7, 8 und 9 gemeinsam sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und sie werden in der Folge nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Der in Fig.2 gezeigte Kolben 11 weist sechs getrennte, erhabene Lagerflächen 2, 3, 4 an der Kolbenwand 15 für die Gleitberührung mit einem zugeordneten Zylinder oder einer zugeordneten Laufbüch-io se auf. Die Lagerflächen 2, 3, 4 sind in zueinander ähnlichen Dreiergruppen an jeder Seite einer Ebene angeordnet, welche die Kolbenachse und die Kolbenbolzenachse enthält. Fig.2 zeigt die eine Gruppe von Lagerflächen 2, 3, 4, und die andere Gruppe ist in ähnlicher Weise an der anderen Seite des Kolbens 11 angeordnet. Zwei Lagerflächen 2, 4 sind in Umfangsrichtung zueinander ausgerichtet, liegen näher am Kolbenkopf 15 und sind mit gleichem Abstand an den gegenüberliegenden Seiten des Schnitts der 75 Kolbenwand 12 mit einer Ebene angeordnet, welche die Kolbenachse enthält und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges 13 steht; die andere, dritte Lagerfläche 3 liegt näher dem unteren Ende der Kolbenwand 12 und ist symmetrisch bezüglich des vorstehend angegebenen Schnitts derart angeordnet, daß diese untere Lagerfläche 3 gegenüber dem Zwischenraum zwischen den oberen Lagerflächen 2, 4 liegt. Jede Lagerfläche 2, 3, 4 weist dieselbe rechteckige Form mit zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kanten 20 und zwei sich axial erstreckenden Kanten auf. Die äußeren Axialkanten der beiden kopfseitigen Lagerflächen 2, 4 sind jeweils um einen Winkelabstand von 30’ gegenüber dem Schnitt versetzt, so daß sie innerhalb der Kontaktfläche (14, Fig,1) eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen liegen. Die untere Lagerfläche 3 erstreckt sich 5' zu jeder Seite des Schnitts hin und liegt somit ebenfalls innerhalb dieser Fläche. 25 Wie in Fig.2 gezeigt, liegen Rampen 16 vor, welche sich jeweils über 5* des Kolbenwandumfangs erstrecken und zu den sich axial erstreckenden Kanten einer jeden Lagerfläche 2, 3, 4, sowie längere Rampen 17, welche zu den sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kanten einer jeden Lagerfläche 2, 3, 4 führen. Die Länge der Rampen 17 kann 8 mm sein, um eine Steigung, d.h. einen Rampenwinkel, in Bezug auf eine gedachte Zylinderfläche, die koaxial zur Kolbenachse liegt, von zwischen 0,2* und 1,0* zu liefern. 30 Somit weist jede Lagerfläche 2, 3 oder 4 samt ihren Rampen 16, 17 einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Oberfläche einer jeden Lagerfläche 2, 3, 4 ist gekrümmt und weist einen Abstand von 25 um radial nach außen zum Rest der Kolbenmantelschubabschnitte 14 auf, obwohl dieser Abstand auch kleiner sein kann oder aber bis zu 125 um betragen kann.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig.2 liegen bei den beiden Kolbenmantelschubabschnitten 14 (siehe 35 Fig.1) insgesamt vier Lagerflächen 2, 4 zum kopfseitigen Ende des Kolbens 11 hin und insgesamt zwei Lagerflächen 3 zum unteren Ende des Kolbenmantels 12 hin vor. Die Summe der Lagerflächen 2, 3, 4 an jedem Kolbenmantelschubabschnitt beträgt 8% der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Die Lagerflächen 2, 3, 4 können bogenförmig gekrümmt sein, müssen aber nicht notwendigerweise so sein, und es können auch teilweise elliptische Lagerflächen geeignet sein. Wenn die 40 Lagerflächen bogenförmig sind, dann brauchen sie nicht denselben Mittelpunkt wie der Kolben 11 aufzuweisen, wenn man davon ausgeht, daß dieser zylindrisch ist. Die Schnittlinien der Lagerflächen und von Ebenen, welche die Kolbenachse enthalten, können gerade oder gekrümmt sein.

Es kann, wie oben erwähnt, eine gleiche Anzahl von Lagerflächen 2, 3, 4 an beiden Schubabschnitten 14 des Kolbens 11 ausgebildet sein, oder die Lagerflächen 2, 3, 4 können derart angeordnet sein, daß mehr 45 Lagerflächen oder eine größere Lagerfläche an dem einen Schubabschnitt als an dem anderen vorliegen bzw. vorliegt. Beispielsweise können mehr Lagerflächen oder kann eine größere Lagerfläche am Hauptschubabschnitt des Kolbenmantels 12 vorhanden sein als an jenem Abschnitt des Kolbenmantels mit kleinerem Schub.

Im Betrieb ist der Kolben 11 an einem Pleuel im Zylinder eines Motors angebracht, und er bewegt sich so hin und her. Die Lagerflächen 2, 3, 4 berühren den Zylinder, um den Schub vom Pleuel auf den Motorblock zu übertragen und den jeweiligen Kolben 11 bei der Hin- und Herbewegung zu führen. Die Lagerflächen 2, 3, 4 liegen innerhalb der Kontaktfläche 14 eines Standardkolbens mit entsprechenden Abmessungen (siehe Fig.1), und sie wirken somit auch dem seitlichen Schub entgegen, der auf den Kolben 11 einwirkt. Da die beiden kopfseitigen Lagerflächen 2, 4 in Umfangsrichtung einen Abstand voneinander aufweisen und nicht 55 in der Mitte des Schubabschnittes des Kolbenmantels liegen, verringern sie die Möglichkeit, daß sich der Kolbenmantel unter dem Einfluß der Schubkräfte verformt. Die untere Lagerfläche 3 ist in ihrer Fläche kleiner als die Summe der Flächen der kopfseitigen Lagedlächen 2, 4, weil die Kräfte, die auf dem unteren Teil des Kolbenmantels einwirken, geringer sind als die Kräfte am Kopfende des Kolbenmantels. Somit

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AT 402 327 B werden die Schubkräfte zufriedenstellend übertragen.

Zusätzlich wird die hydrodynamische Schmierung der Lagerflächen 2, 3, 4 durch die Ausbildung der Rampen 16, 17, insbesondere der oberen und unteren Rampen 17, gefördert, welche am besten in Fig.3 zu sehen ist, in welcher die Richtung der Hinund Herbewegung des Kolbens durch einen Pfeil A bezeichnet ist. 5 Die Rampen 17, die zu den Umfangskanten der jeweiligen Lagerflächen, z.B. 2, führen, halten einen zufriedenstellenden Ölfilm an dieser Lagerfläche 2 (bzw. 3, 4) aufrecht, und zwar trotz der Neigung der verringerten Berührungsfläche, die Dicke des Ölfilms unter ein betriebsfähiges Minimum zu reduzieren. Die flache Steigung der Rampen 17, die hier 1° nicht übersteigt, bildet zusammen mit dem zugeordneten Zylinder einen sich allmählich verengenden Kanal für das Öl, welches dynamisch auf die jeweilige io Lagerfläche 2 (bzw. 3, 4) geführt wird. Das Öl strömt über die Lagerflächen, bevor es zum Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Rest des jeweiligen Kolbenmantelteils zurückkehrt, der die Lagerflächen umgibt.

Der Radialabstand der Lagerflächen 2, 3, 4 von den Schubabschnitten des Kolbenmantels (bevorzugt zwischen 125 um und 25 um) ist hinlänglich klein, um zu ermöglichen, daß Öl in diesen Bereichen iS während der Hin- und Herbewegung des Kolbens 11 zurückgehalten wird, wobei Öl augenblicklich, im Fall einer Kolben-Schrägstellung, unter Druck gesetzt wird und ersichtlich eine verstärkte Schmierung der Lagerflächen bewirken kann. Zusätzlich ermöglicht der Zwischenraum zwischen den kopfseitigen Lagerflächen 2, 4, daß dort vorhandenes Öl während eines Verdichtungstaktes die untere Lagerfläche 3 erreichen kann, so daß die untere Lagerfläche 3 während dieses Taktes hinlänglich Öl erhält. Eine entgegengesetzte 20 Wirkung findet während des Expansionstaktes statt, wenn Öl nicht daran gehindert wird, die kopfseitigen Lagerflächen 2, 4 zu erreichen.

Somit wird eine Verringerung der Berührungsfläche mit einer entsprechenden Verringerung der Reibungskräfte, ohne eine schädliche Verringerung der Dicke des Schmierfilms, erreicht.

Wenn ein Kolben in einer Maschine angebracht ist, dann wird er an einem Pleuel mittels eines 25 Kolbenbolzens befestigt. Weil der Kolben nicht eine genaue Passung im zugeordneten Zylinder aufweist, kann er um den Kolbenbolzen schwenken und somit die Ausrichtung der Rampen und Lagerflächen relativ zum Zylinder ändern. Zusätzlich werden sich der Kolben und der Zylinder auch ausdehnen, wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht. Dies wird ebenfalls die Ausrichtung der Rampen und Lagerflächen relativ zum Zylinder ändern. 30 Solche Änderungen werden die Abmessungen des Kanals ändern, der zwischen den Rampen und den Zylinder gebildet ist, und sie könnten nachteilig die Schmierung der jeweiligen Lagerfläche beeinträchtigen. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann der Querschnitt der Lagerflächen samt Rampen auf die in den Fig.4 oder 5 gezeigten Formen geändert werden.

In Fig.4 ist die obere Rampe, welche zu einer Umfangskante einer jeden Lagerfläche hin führt, aus zwei 35 ebenen, zueinander geneigten Rampenteilen 17a, 17b, mit einem Übergang bei 17d, gebildet. Der erste Rampenteil 17a liefert einen Kanal für die hydrodynamische Schmierung für eine bestimmte Ausrichtung der Rampe relativ zum Zylinder, wogegen der zweite Rampenteil 17b einen solchen Kanal herbeiführt, wenn eine alternative Ausrichtung vorliegt.

In Fig.5 ist die Anzahl von Änderungspunkten unendlich, wobei die Rampe 17 konvex gekrümmt 40 verläuft. Dies ermöglicht das Erreichen einer hydrodynamischen Schmierung unter allen Bedingungen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Lagerfläche ebenfalls gekrümmt. Da eine Lagerfläche jener Art, wie sie in Fig.3 für die Lagerfläche 2 gezeigt ist, schließlich sich bis zur Form gemäß Fig.5 abnutzen wird, nimmt die Form der Fig.5 diese Abnutzung vorweg.

Die Anordnung der Lagerfiächen gemäß Fig.2, ihre Zuordnung zueinander und ihre Zuordnung zum 45 umgebenden Schubabschnitt des Kolbenmantels kann Verbesserungen in der allgemeinen Motorleistung bewirken. Beispielsweise haben viele Kolben 11, die in einem Motor mit 1275 cm3 eingesetzt wurden, die folgenden Verbesserungen, verglichen mit einem Standardkolben mit denselben Abmessungen, gezeigt: • Leistung: keine besondere Verbesserung, - Treibstoffverbrauch: Verringerung um bis zu 3,5% bei Vollast, und so - Reibung: Verringerung um etwa 1 · bis 2.500 Umdrehungen pro Minute und Betriebsbelastung.

Diese Ergebnisse sind graphisch in Fig.6 gezeigt, wobei die Resultate für die Standardkolben in ausgezogenen Linien und die Ergebnisse für den Kolben 11 gemäß Fig.2 in unterbrochenen Linien gezeigt sind.

Es wird als nächstes auf Fig.7 Bezug genommen. Der Kolben 20, der dort gezeigt ist, ist allgemein 55 ähnlich dem Kolben 11, der einleitend unter Bezugnahme auf Fig.1 beschrieben wurde. Beim Kolben 20 gemäß Fig.7 sind zwei kopfseitige Lagerflächen 6, 7 an jedem Kolbenmantelteil mit gleichem Abstand an den gegenüberliegenden Seiten des Schnitts des Kolbenmantels 12 mit einer Ebene angeordnet, welche die Kolbenachse enthält und senkrecht zur Achse der Kolbenbolzenbohrung 13 steht. Zusätzlich liegen hier 5

AT 402 327 B drei untere Lagerflächen 8, 9, 10 an jedem Schubabschnitt des Kolbenmantels vor, wobei sich die mittlere Lagerfläche 9 symmetrisch beidseits des genannten Schnitts erstreckt und die äußeren Lagerflächen 8, 10 in gleichen Abständen an den gegenüberliegenden Seiten des Schnitts vorliegen. Die Lagerflächen sind alle in ihrer Form rechteckig, wobei sich bei den Lagerflächen 6, 7, 9 die längere Abmessung in Umfangsrich-5 tung erstreckt. Die äußeren axialen Kanten der oberen Lagerflächen 6, 7 weisen jeweils einen Winkelabstand von 40* gegenüber dem Schnitt auf, so daß sie weitgehend innerhalb der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen liegen. Es liegen zwei Rampen 21, 24 vor, welche sich jeweils über 5* des Umfangs des Kolbenmantels erstrecken und zu den äußeren, sich axial erstreckenden Kanten der oberen Lagerflächen 6, 7 führen, sowie zwei breitere Rampen 22, 23, die sich jeweils über 10* io des Umfangs des Kolbenmantels erstrecken und zu den inneren, sich axial erstreckenden Kanten der oberen Lagerflächen 6, 7 führen. Die Lagerflächen 6, 7 weisen jeweils eine Bogenlänge entsprechend 25° auf.

Die unteren Lagerflächen 8, 9, 10 haben symmetrische Rampen 25, welche sich auf jeder Seite der Lagerflächen 8, 9, 10 über 5° des Umfangs des Kolbenmantels erstrecken. Die mittlere Lagerfläche 9 weist 15 eine größere Bogenlänge auf als die beiden anderen Lagerflächen 8, 10, so daß sie sich in Umfangsrichtung über den größten Teil des Zwischenraumes zwischen den kopfendseitigen Lagerflächen 6, 7 erstreckt. Die äußeren axialen Kanten der äußeren Lagerflächen 8, 10 weisen jeweils einen Winkelabstand um 40° gegenüber dem Schnitt auf. Die unteren Ecken der beiden unteren Lagerflächen 8, 10 sind wegen der Formgebung des Kolbenmantels im gezeigten Beispiel entfernt, werden aber bei anderen Beispielen nicht 20 entfernt.

Die Umfangserstreckung der oberen Lagerflächen 6, 7 braucht allerdings nicht dieselbe zu sein wie die Umfangserstreckung der unteren Lagerflächen 8, 9, 10. Wie beim Kolben nach Fig.2 können Anzahl, Anordnung oder Flächeninhalt der Lagerflächen am Hauptschubabschnitt des Kolbenmantels gegenüber den Lagerflächen am kleineren Schubabschnitt des Kolbenmantels unterschiedlich sein. Allerdings liegt im 25 allgemeinen der Hauptteil des Flächeninhalts der Lagerflächen innerhalb der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Wie in Fig.7 gezeigt ist, führen Rampen 26 zu den Umfangskanten einer jeden Lagerfläche 6, 7, 8, 9, 10 hin. Die axiale Länge der Rampen 26 kann ungefähr 5 mm sein, um eine Neigung gegenüber dem übrigen Kolbenmantel von zwischen 0,3° und 1,5° zu bewirken. 30 Der Flächeninhalt der Lagerflächen 6, 7, 8, 9, 10 an jedem Kolbenmantelteil 12 beträgt 25% der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Der Abstand um den die Lagerflächen radial vom zugehörigen Kolbenmantelteil 14 vorspringen beträgt 25 am, er kann aber auch weniger oder bis zu 125 am betragen.

Der Kolben 20 gemäß Fig.7 arbeitet allgemein auf dieselbe Weise wie der Kolben 11 gemäß Fig.2, mit 35 denselben lastübertragenden Eigenschaften und denselben hydrodynamischen Schmiereigenschaften.

Die Tatsache, daß zumindest einige der Lagerflächen 6, 7, 8, 9, 10 in Umfangsrichtung länger sind als in Achsrichtung, verbessert die Schmierwirkung, da das meiste Öl, das eine Umfangskante einer Lagerfläche von einer Rampe 26 aus hinaufgepreßt wurde, sich über die Lagerfläche ausbreitet und danach trachtet, diese Lagerfläche über die nachlaufende Umfangskante zu verlassen. Dort, wo die axiale Abmes-40 sung der Lagerfläche länger ist als die Umfangsabmessung, hat viel Öl die Lagerfläche in Umfangsrichtung verlassen, bevor es die axial nachlaufende Kante erreicht, und somit könnten Teile der Lagerfläche ungenügend geschmiert werden. Bei dem Kolben 11 gemäß Fig.2 ist allerdings die axiale Länge der Lagerflächen 2, 3, 4 ausreichend kurz, um sicherzustellen, daß nur ein verhältnismäßig kleiner Anteil des Öles die Lagerflächen 2, 3, 4 seitlich verläßt, so daß hinlänglich Öl die nachlaufenden Kanten der 45 Lagerflächen 2, 3, 4 erreicht. Zusätzlich stellt die Positionierung der mittleren unteren Lagerfläche 9 des Kolbens 20 nach Fig.7 zwischen den kopfendseitigen Lagerflächen 6, 7 sicher, daß eine Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 stattfindet.

Auch der Kolben 20 hat somit den Vorteil einer Verringerung der Berührungsfläche, mit der hieraus folgenden Verringerung der Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen 50 aufrechterhalten bleibt.

Diese Anordnung der Lagerflächen 6 bis 10 selbst, ihre Zuordnung zueinander und ihre Zuordnung zum umgebenden Schubabschnitt des Kolbenmantels 12 kann die allgemeine Motorleistung verbessern. Beispielsweise haben vier Kolben der in Fig.7 gezeigten Art, die in einen Motor mit 1275 cm3 eingebaut wurden, die folgenden Verbesserungen ergeben, verglichen mit der Verwendung von Standardkolben 55 derselben, allgemeinen Abmessungen: - Leistung: Steigerung bis zu 3,6% - Treibstoffverbrauch: Reduzierung bis zu 5% bei Vollast, und - Reibung: Verringerung um etwa 3% bei 2.500 Umdrehungen pro Minute und Fahrbelastung. 6

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Diese Ergebnisse sind ebenfalls graphisch in Fig.6 gezeigt, und zwar in gestrichelten Linien mit kurzen Strichen, im Vergleich mit einem Standardkolben (in ausgezogenen Linien).

In Fig.8 ist ein Kolben 30 gezeigt, der wiederum allgemein ähnlich dem Kolben 11 von Fig.1 ist. Drei Lagerflächen 31, 32, 33 sind an jeder Seite des Kolbens 30 vorgesehen, und zwar zwei Lagerflächen 31, 32 nahe dem kopfseitigen Ende des Kolbenmantels und eine untere Lagerfläche 33 nahe dem unteren Ende des Kolbenmantels. Die beiden kopfseitigen Lagerflächen 31, 32 sind rechteckig, wobei sich ihre längere Abmessung in Umfangsrichtung erstreckt. Jede dieser Lagerflächen 31, 32 weist eine Umfangslänge von 20 * auf und erstreckt sich bis zu 35 ·, vom Schnitt des Kolbenmantels mit einer Ebene weg gerechnet, die die Kolbenachse enthält und senkrecht zur Achse der Kolbenbolzenbohrung 13 steht. An die axialen Kanten schließen Rampen 34 an, deren Umfangslänge 10' ist. Obere und untere Rampen 35 führen zu den Umfangskanten, und die axiale Länge dieser Rampen 35 kann 4 mm sein, um einen Rampenwinkel zum Kolbenmantel von zwischen 0,4 * und 1,5* zu ergeben.

Die untere Lagerfläche 33 ist ebenfalls rechteckig, mit ihrer größeren Abmessung in Umfangsrichtung. Diese Lagerfläche 33 ist derart angeordnet, daß ihre Umfangslänge gleich ist dem Zwischenraum zwischen den kopfseitigen Lagerflächen 31, 32. Der Flächeninhalt der Lagerfläche 33 ist größer als der Flächeninhalt einer jeden der kopfseitigen Lagerflächen 31, 32, ist aber kleiner als ihr zusammengenommener Flächeninhalt. Beispielsweise kann die Lagerfläche 33 das 0,75-fache der zusammengenommenen Flächeninhalte der kopfseitigen Lagerflächen 31, 32 sein. Die untere Lagerfläche 33 ist mit seitlichen Rampen 35 versehen, welche zu ihren axialen Kanten führen uns sich in Umfangsrichtung über 10 * erstrecken, und mit Rampen 37, die zu ihren Umfangskanten führen. Die axiale Länge der oberen Rampe 37 kann 4 mm betragen, um einen Rampenwinkel zum übrigen Kolbenmantel 12 von zwischen 0,4* und 1,5* zu ergeben. Die untere Rampe 37 kann sich bis zur unteren Kante des Kolbenmantels 12 erstrecken, und zwar unter einem Winkel der kleiner ist als jener der oberen Rampe 37.

Die Berührungsfläche der drei Lagerflächen 31, 32, 33 kann D2/! 1,5 betragen, wobei D der Nenndurchmesser des Kolbens ist. Somit beträgt die Berührungsfläche nur 25% der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Außerdem springen die Lagerflächen 31, 32, 33 vom Kolbenmantel 12 in radialer Richtung um nicht mehr als 125 um und um nicht weniger als 25 um vor. Der Kolbenmantel 12 kann ferner im Durchmesser jenseits der axialen Kanten der kopfseitigen Lagerflächen 31, 32 verringert sein, um eine etwaige seitliche Berührung des Kolbens 30 mit dem Zylinder zu verhindern, etwa beim Kippen des Kolbens 30.

Der Kolben 30 gemäß Fig.8 arbeitet auf die allgemein selbe Weise wie die Kolben der Fig.2 und 4, mit ähnlichen Charakteristiken hinsichtlich Lastaufnahme und hydrodynamischer Schmierung. Die in Umfangsrichtung längliche Form der Lagerflächen 31, 32, 33 und die Form der Rampen 35, 37 stellen eine zufriedenstellende Schmierung sicher, und die Überlagerung zwischen der unteren Lagerfläche 33 und den kopfseitigen Lagerflächen 31, 32 in axialer Richtung stellt sicher, daß die Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 des Kolbenmantels 12 erfolgt.

Auch hier wird die Berührungsfläche reduziert, mit der hieraus folgenden Verringerung in den Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen aufrechterhalten bleibt.

Die Anordnung der Lagerflächen 31, 32, 33 selbst, ihre Zuordnung zueinander und ihre Zuordnung zu dem umgebenden Schubabschnitt des Kolbenmantels 12 führt zu Verbesserungen in der Motorleistung ähnlich jenen, die beim Kolben 20 gemäß Fig.7 erzielt werden.

In Fig.9 ist schließlich ein Kolben 41 mit einem Ringband 40 gezeigt, bei dem nur zwei Lagerflächen 42, 43 an jeder Seite vorgesehen sind. Die beiden Lagerflächen 42, 43 weisen einen Axialabstand auf und erstrecken sich beide symmetrisch beidseits des Schnitts zwischen dem Kolbenmantel und einer Ebene, welche die Kolbenachse umfaßt und senkrecht zur Achse der Kolbenbolzenbohrung 13 steht. Beide Lagerflächen 42, 43 sind rechteckig, wobei sich die längeren Kanten in Umfangsrichtung erstrecken. Die kopfseitige Lagerfläche 42 weist einen kleineren Flächeninhalt auf als die untere Lagerfläche 43, mit einer Umfangserstreckung von 20 *, verglichen mit einer Umfangserstreckung von 40 * für die untere Lagerfläche 43. Diese Lagerflächen 42, 43 liegen somit innerhalb der Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Beide Lagerflächen 42, 43 sind mit seitlichen Rampen 44 versehen, die zu ihren axialen Kanten und deren Winkelerstreckung 10* beträgt. Weiters sind Rampen 45 vorgesehen, welche zu den Umfangskanten der kopfseitigen Lagerfläche 42 und zur oberen Umfangskante der unteren Lagerfläche 43 führen, wobei deren Winkel zum Kolbenmantel zwischen 0,4 * und 1,5 * beträgt. Eine untere Rampe 45, die zur unteren Umfangskante der unteren Lagerfläche 43 führt, kann sich bis zur Unterkante des Kolbenmantels erstrek-ken, und sie hat einen Rampenwinkel, der kleiner ist als jener der anderen Rampen 45.

Die Lagerflächen 42, 43 springen vom Kolbenmantel in radialer Richtung um nicht mehr als 125 um und um nicht weniger als 25 um vor. Die Berührungsfläche der Lagerflächen 42, 43 beträgt etwa 18% der 7

Claims (13)

1. AT 402 327 B Kontaktfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Der Kolben 41 gemäß Fig.9 arbeitet allgemein auf dieselbe Weise wie die Kolben der Fig.2, 4, 5, mit ähnlichen Charakteristiken bezüglich Lastaufnahme und hydrodynamischer Schmierung. Der radiale Abstand der Lagerflächen 42, 43 vom benachbarten Kolbenmantei 15, die in Umfangsrichtung längliche Form 5 der Lagerflächen 42, 43 und der flache Rampenwinkel stellen sicher, daß die Lagerflächen 42, 43 ' hinlänglich geschmiert sind. Der verringerte Flächeninhalt der Lagerflächen 42, 43 reduziert die Reibungskräfte am Kolben 41 und ermöglicht somit eine Zunahme bei der Leistungsabgabe bzw. eine Abnahme des T reibstoffverbrauchs. Im Prinzip können die Lagerflächen an den Schubabschnitten des Kolbenmantels in irgendeiner io geeigneten Weise angeordnet sein. Eine große Anzahl kleinerer Lagerflächen kann anstelle einer kleinen Anzahl größerer Lagerflächen verwendet werden. Die Anzahl und/oder Anordnung und/oder der Flächeninhalt der Lagerflächen kann sich in den Abschnitten mit größerem und kleinerem Schub unterscheiden. Zusätzlich kann die Stirnfläche einer jeden Lagerfläche irgendeine geeignete, z.B. gekrümmte Form aufweisen. Der Flächeninhalt der Lagerflächen kann zwischen 0,05 und 0,95 D2/9 variieren, wobei D der is Nenndurchmesser des Kolbens ist. Es kann beispielsweise eine kleinere Anzahl Von Lagerflächen am kopfseitigen Ende und eine größere Anzahl am unteren Ende vorliegen. Zusätzlich kann wenigstens eine Lagerfläche im Bereich des Ringbandes 40 vorliegen. Rampen mit flachem Winkel und um weniger als 125 um vorspringende Lagerflächen können bei jeder 20 Lagerfläche angewandt werden, welche von einem umgebenden Kolbenmantelteil vorspringt, um die hydrodynamische Schmierung der Lagerfläche zu fördern. Jene Abschnitte der umgebenden Kolbenmantelteile, welche fern den Lagerflächen liegen, können entfernt werden, um das Gewicht des Kolbens zu verringern. 25 Patentansprüche 1. Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenkopf, einem sich um diesen herum erstreckenden Ringband mit Kolbenringen, einer Kolbenbolzenbohrung und zwei Mantelteilen, die auf gegenüberliegenden Seiten einer die Achsen des Kolbens und der Kolbenbolzenbohrung enthaltenden Ebene 30 liegen und jeder mit zumindest einer von ihm radial vorspringenden, aus seinem Material geformten Lagerfläche mit hydrodynamischen Rampen zur Bildung eines Schmierfilms auf der Lagerfläche versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige(n) Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) nur auf einem Teil des zugehörigen Mantelteils (12), sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung gesehen, geformt ist (sind), daß die Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) um weniger als 35 1 25 um vom zugehörigen Mantelteil (12) vorspringt (vorspringen) und daß sich die hydrodynamischen Rampen (17; 26; 35, 37; 45) mit einem Rampenwinkel von weniger als 1,5* zwischen dem Mantelteil (12) und der (den) Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) erstrecken, um einen Druckölfilm zwischen der (den) Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) und einem zugehörigen Zylinder beizubehalten.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mantelteil (12) mit zumindest drei Lagerflächen (2-4; 6-10; 31-33) geformt ist, von denen zwei Lagerflächen (2, 4; 6, 7; 31, 32) zum Kolbenkopf (15) hin sowie in Abstand voneinander und die wenigstens eine übrige Lagerfläche (3; 9; 33) zum unteren Rand des Mantelteils (12) hin und gegenüber dem Zwischenraum zwischen den beiden zum Kolbenkopf hin gelegenen Lagerflächen (2, 4; 6, 7; 31,32) vorgesehen sind. 45
3. 3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden zum Kolbenkopf (15) hin gelegenen Lagerflächen (2, 4) in Umfangsrichtung zumindest gleich groß wie die Abmessung der einzigen übrigen Lagerfläche (3) in Umfangsrichtung ist. so 4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rampe in Richtung der Kolbenbewegung zwei ebene, zueinander geneigte Rampenteile (17a, 17b) aufweist (Fig.
4. 4).
5. 5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rampe in Richtung der Kolbenbewegung gekrümmt verläuft (Fig. 5). 55
6. 6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) um mehr als 25 um vom zugehörigen Mantelteil (12) vorspringt (vorspringen). 8 ΑΤ 402 327 Β
7. 7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) eine allgemein rechteckige Gestalt hat (haben).
8. 8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß sich von axial verlaufenden Kanten der Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) zum zugehörigen Mantelteil (12) Rampen (16; 21-25; 34, 36; 44) erstrecken.
9. 9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die sich von den axial verlaufenden Kanten der Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) weg erstreckenden Rampen (16; 21-25; 34, 36; 44) eine Abmessung in Umfangsrichtung entsprechend einem Winkel von 10* aufweisen.
10. 10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Abmessung der Lagerfläche(n) (6, 7, 9; 33; 42, 43) in axialer Richtung kleiner ist als jene in Umfangsrichtung.
11. 11. Kolben nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zum Kolbenkopf (15) hin gelegenen Lagerflächen (6, 7) einen größeren Flächeninhalt haben als die übrigein) Lagerfläche(n) (8, 9, 10).
12. 12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Lagerfläche(n) (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) in einer Zone liegt (liegen), die sich beidseits einer Ebene durch die Kolbenachse und senkrecht auf die Achse der Kolbenbolzenbohrung über eine Abmessung entsprechend einem Winkel von höchstens 30 ’ erstreckt.
13. 13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß die Lagerfläche(n) in die Kolbenachse enthaltenden Ebenen gekrümmt verläuft (verlaufen) (Fig. 5). Hiezu 5 Blatt Zeichnungen 9