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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben mit einem Ringnuten
aufweisenden Kolbenkopf und einem Kolbenbolzennaben aufweisenden
Kolbenschaft, an dem ein Faserkörper angeordnet ist, nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
gattungsgemäßer Kolben ist anhand der
US 3,890,950 A bekannt
geworden. Diese beschreibt einen selbst schmierenden Kolben für
eine Verbrennungskraftmaschine, wobei der Kolben mit Fasern aus
einem Kunststoffwerkstoff umwickelt ist und zwar im Bereich des
Kolbenschaftes und an diesen Kunststofffasern ein Metalldraht als
Verstärkung um die aufgewickelten Kunststofffasern mittels
ebenfalls wieder einem Wickelvorgang aufgebracht werden kann.
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Dieser
bekannte Kolben ist daher für eine ohne einen flüssigen
Schmierstoff arbeitende Brennkraftmaschine vorgesehen, weshalb die
eine Beschichtung der Kolbenoberfläche ausbildenden Faserwerkstoffe
mittels eines Wickelvorgangs aufgebracht werden.
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Der
beschriebene Wickelvorgang führt nun dazu, dass es sich
bei diesem bekannten Kolben um einen sogenannten Vollschaftkolben
handelt, bei dem also umlaufend ein Kolbenschaft oder Kolbenhemd
vorgesehen ist. Damit aber ist dieser bekannte Kolben aufgrund seines
Kolbenschaftes schwer ausgebildet und erhöht die den Kurbeltrieb
der Brennkraftmaschine belastenden oszillierenden Massenkräfte.
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Mit
den, eine Beschichtung an dem bekannten Kolben ausbildenden Faserwerkstoffen
soll eine Verschleißverringerung im Kontaktbereich zwischen dem
Kolbenhemd und der Kolbenlaufbahn im Zylinder erreicht werden. Das
Kolbenhemd stützt nämlich das Kippmoment des Kolbens
um die Pleuelachse und die Querkräfte gegen die Zylinderwandung
ab. Dies führt zu entsprechenden Reibungskräften
und mit der so ausgebildeten Beschichtung soll der Verschleiß an
den Umkehrpunkten der Kolbenbewegung im Zylinder verringert werden.
Dem gleichen Zweck dienen auch andere bekannte Schutzschichten in
der Form beispielsweise aufgespritzter temperaturbeständiger
PTFE Beschichtungen.
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Der
Kolben führt am Umkehrpunkt relativ zur Kolbenlaufbahn
im Zylinder eine Verlagerungsbewegung von der Druckseite zur Gegendruckseite
beziehungsweise umgekehrt aus, und durch diesen Anlagewechsel kommt
es aufgrund des Kolbenspiels im Zylinder zu einem zur Geräuschbildung
führenden Anschlag. Auch eine sogenannte Desachsierung
der Kolbenbolzenachse kann diese Geräuschbildung nicht
beseitigen, sondern lediglich verringern.
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Auch
führt die Kontaktbildung zwischen dem Kolbenhemd und der
Kolbenlaufbahn im Zylinder zur reibungsbedingten Ausbildung einer
Verlustleistung.
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Ausgehend
hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde,
den mit einem Faserkörper ausgebildeten Kolben derart weiterzubilden,
dass die aufgrund des Anlagewechsels des Kolbenschaftes bedingte
Geräuschbildung verringert wird und zudem die reibungsbedingte
Verlustleistung verringert werden kann.
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Die
Erfindung weist nun zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch
1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung schafft nun einen Kolben mit einem Ringnuten aufweisenden
Kolbenkopf und einem Kolbenbolzennaben aufweisenden Kolbenschaft,
an dem ein Faserkörper angeordnet ist, wobei der Faserkörper
nach der vorliegenden Erfindung von einem mit dem Kolbenschaft einstückig
verbundenen Drahtkissenkörper gebildet ist.
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Der
einstückig mit dem Kolbenschaft verbundene Drahtkissenkörper
wirkt als Gleitelement zwischen dem Kolbenschaft oder Kolbenhemd
und der Kolbenlaufbahn im Zylinder und sorgt auf diese Weise für
eine Verringerung der Verlustleistung. Der Drahtkissen körper
weist Hohlräume auf, in die der in der Brennkraftmaschine
umgepumpte Schmierstoff eingelagert werden kann und so für
eine entsprechende Schmierstoffbenetzung der Kolbenlaufbahn sorgt.
Darüber hinaus wird der Schmierstoff aber bei der oszillierenden
Bewegung des Kolbens und damit des Drahtkissenkörpers von
den einzelnen Filamenten beziehungsweise Drähten des Drahtkissenkörpers
mitgenommen, also gleichsam von der Kolbenlaufbahn abgestreift und
wird so von der sich im Brennraum ausbreitenden Flammenfront nicht
erreicht, was zur Verringerung der Schadstoffbelastung im Abgas
der Brennkraftmaschine beiträgt.
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Darüber
hinaus wirkt der Drahtkissenkörper aufgrund seiner Elastizität
als Anschlagpuffer zwischen dem Kolbenschaft und der Kolbenlaufbahn des
Zylinders beim Anlagewechsel des Kolbens und kann somit die Geräuschbildung
beim Anlagewechsel verringern.
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Auch
schmiegt sich der Drahtkissenkörper aufgrund seiner Elastizität
an die Kolbenlaufbahn des Zylinders an und sorgt so für
ein flächiges Anliegen des Kolbenschafts an der Kolbenlaufbahn
des Zylinders und trägt somit zur Vermeidung lokaler Spannungsspitzen
bei. Das flächige Anliegen sorgt darüber hinaus
für ein Flächentragen im Kontaktbereich zwischen
der Kolbenlaufbahn und dem Kolbenhemd und trägt somit zur
Verringerung der akustischen Belastung beim Anlagewechsel des Kolbens
an der Zylinderlaufbahn bei.
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Der
Drahtkissenkörper sorgt aufgrund seiner inhärenten
Elastizität für einen weichen und damit leisen
Kontakt zwischen dem Kolbenhemd und der Kolbenlaufbahn des Zylinders.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Drahtkissenkörper
in den Kolbenschaft vollständig infiltriert ausgebildet
ist. Der Kolben kann dabei mittels eines Gießvorgangs hergestellt
werden, so dass der Drahtkissenkörper vom Material im Bereich
des sich ausbildenden Kolbenschaftes umgossen wird.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform hierzu ist es vorgesehen,
dass der Drahtkis senkörper in den Kolbenschaft infiltriert
ausgebildet ist derart, dass zumindest ein Teilbereich des Drahtkissenkörpers
aus der Außenoberfläche des Kolbenschaftes hervorsteht.
Bei dieser Ausführungsform wird ein flächiger
Kontakt des Drahtkissenkörpers mit der Kolbenlaufbahn des
Zylinders erreicht, während bei der erstgenannten Ausführungsform
der Kolbenschaft in sich betrachtet aufgrund des eingelagerten Drahtkissenkörpers
mehr elastisch verformbar ist, als ein entsprechend aufgebauter
Kolbenschaft ohne einen solchen Drahtkissenkörper, so dass
auch bei der vollständig infiltrierten Ausführungsform
die vorstehend genannten Vorteile erreicht werden können.
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Bei
dem nach der Erfindung vorgesehenen Kolben kann es sich um einen
Vollschaftkolben handeln, einen Fensterkolben oder auch einen sogenannten
Kastenkolben, bei dem im Bereich der Kolbenbolzennaben zur Bildung
einer Druckseitenfläche und Gegendruckseitenfläche
ein unterbrochener Kolbenschaft ausgebildet ist, an dem an mindestens
einer Fläche ein Drahtkissenkörper vorgesehen
ist.
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Das
nach der Erfindung vorgesehene Drahtkissen kann ein Gestrick oder
Gewebe oder Gelege oder ein sonstiges Gewirk aus Fäden
beziehungsweise Drähten sein, deren werkstoffliche Basis
vorzugsweise ein metallischer Werkstoff, also beispielsweise Eisen,
Messing oder Bronze sein, wobei es sich bei den Fäden auch
um keramische Fäden oder eine Kombination aus metallischen
und keramischen Fäden handeln kann.
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Neben
den vorstehend bereits erwähnten Vorteilen hinsichtlich
der Akustik besitzt ein erfindungsgemäßer Kolben,
der ein vollständig infiltriertes Drahtkissen aufweist,
im Bereich des Kolbenschaftes verglichen mit einem ohne Drahtkissenkörper
hergestellten Kolbenschaft auch höhere Festigkeitswerte und
weist eine geringere Verschleißanfälligkeit auf, als
ein Kolben ohne einen solchen Drahtkissenkörper.
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Die
Erfindung wird nunmehr im Folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in:
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1 eine
Draufsichtansicht auf einen gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildeten Kastenkolben; und
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2 eine
Schnittdarstellung des Kolbens nach 1.
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1 der
Zeichnung zeigt eine Seitenansicht eines als Kastenkolben ausgebildeten
Kolbens nach einer Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Der
Kolben 1 weist einen Kolbenkopf 2 und einen Kolbenschaft 3 auf.
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Der
Kolbenkopf 2 besitzt Ringnuten 4 zur Aufnahme
von Kolbenringen in der Form von Kompressionsringen und/oder Ölabstreifringen
und der Kolbenschaft 3 ist mit einer näher anhand
von 2 ersichtlichen Druckseitenfläche 5 und
Gegendruckseitenfläche 6 ausgebildet.
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Der
Kolben 1 weist Kolbenbolzennaben 7 auf, die zur
Aufnahme eines nicht näher dargestellten Kolbenbolzens
dienen, der den Kolben an einer ebenfalls nicht näher dargestellten
Pleuelstange festlegt.
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1 zeigt
darüber hinaus eine Schnittlinie II-II, die den Schnittverlauf
durch den Kolben 1 zeigt, der in 2 dargestellt
ist.
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Die
Druckseitenfläche 5 zeigt einen durch partielle
Infiltration aufgenommenen Drahtkissenkörper 8,
der bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Gewirk
aus metallischen Filamenten gefertigt ist. Es kann sich hier beispielsweise
um Stahl-, Messing- oder Bronzefilamente handeln, die bei der Fertigung
des Kolbens 1 so im Bereich der auszubildenden Druckseitenfläche 5 und
Gegendruckseitenfläche 6 des Kolbens angeordnet
sind, dass sie einerseits mit dem Kolbenschaft 3 einstückig
verbunden ausgebildet sind und andererseits aus der Außenoberfläche 9 des
Kolbenschaftes 3 zumindest im Bereich von Teilflächen
der Druckseitenfläche 5 beziehungsweise der Gegendruckseitenfläche 6 hervorragen,
wie dies 2 der Zeichnung zeigt.
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Durch
diese Anordnung des Drahtkissenkörpers 8 wird
erreicht, dass die aus der Außenoberfläche des
Kolbenschaftes 3 hervorstehenden Drahtfilamente für
ein flächiges Anliegen des Kolbenschaftes 3 an
der Kolbenlaufbahn eines nicht näher dargestellten Zylinders
einer Hubkolbenbrennkraftmaschine sorgen.
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Zwischen
den aus der Außenoberfläche des Kolbenschaftes 3 hervorstehenden
Drahtfilamenten werden Hohlräume gebildet, die der Aufnahme
von Schmierstoff im Drahtkissenkörper 8 dienen.
Darüber hinaus sorgen Drähte des Drahtkissenkörpers 8 für ein
flächiges Anliegen des Kolbenschaftes an der Zylinderlaufbahn
und aufgrund ihrer Elastizität für ein weiches
Nachgeben des Drahtkissenkörpers 8 beim Anlagewechsel
des Kolbens von der Druckseitenfläche zur Gegendruckseitenfläche
und umgekehrt im Umkehrpunkt der Kolbenbewegung und damit für eine
deutliche Verringerung eines als Klappern akustisch in Erscheinung
tretendes Geräusch bei dem Anlagewechsel des Kolbens.
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Obwohl
bei der dargestellten Ausführungsform ein durch partielle
Infiltration in die Struktur des Kolbens angeordneter Drahtkissenkörper 8 vorgesehen
ist, kann nach einer Modifikation der Drahtkissenkörper 8 auch
vollständig in den Kolbenschaft 3 infiltriert
sein und auf diese Weise eine Verstärkung des Kolbenschaftes
herbeiführen und somit zur Verschleißverringerung
des Kolbenschaftes beitragen. Die partielle Infiltration trägt
dazu bei, dass die elastisch dämpfenden Eigenschaften des
Drahtkissenkörpers 8 zur Geräuschverringerung
beim Anlagewechsel des Kolbens entlang seiner Kolbenbewegung in
den Umkehrpunkten beitragen. Durch die Aufnahme von Schmierstoff
in die Hohlräume des Drahtkissenkörpers kann das
Reibmoment verringert werden und zusätzlich sorgt der so
aufgebaute Schmierstofffilm für eine weitere Bedämpfung
des Geräusches beim Anlagewechsel des Kolbens.
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Hinsichtlich
vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter
Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich
auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenkopf
- 3
- Kolbenschaft
- 4
- Ringnuten
- 5
- Druckseitenfläche
- 6
- Gegendruckseitenfläche
- 7
- Kolbenbolzennaben
- 8
- Drahtkissenkörper
- 9
- Außenoberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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