DE1057387B

DE1057387B - Pistons for internal combustion engines, in particular light metal pistons for diesel engines

Info

Publication number: DE1057387B
Application number: DED25889A
Authority: DE
Inventors: August Debelack
Original assignee: MARIANNE DEBELACK GEB KOEGL
Current assignee: MARIANNE DEBELACK GEB KOEGL
Priority date: 1956-06-29
Filing date: 1957-06-28
Publication date: 1959-05-14

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Leichtmetallkolben für Dieselmotoren, mit einem vom Kolbenboden in das Kolbeninnere ragenden, mittig angeordneten und sich verjüngenden Fortsatz, der an seiner Basis bis nahe an die Innenwand der Ringpartie reicht und an dem der Pleuelstangenkopf gelagert ist.The invention relates to a piston for internal combustion engines, in particular light metal pistons for Diesel engines, with a centrally located and self-contained one that protrudes from the piston crown into the interior of the piston tapering extension that extends at its base to close to the inner wall of the ring belt and on which the connecting rod end is supported.

Durch eine derartige Kolbenausbildung soll erreicht werden, daß der die Kolbenringzone und die tragenden Mantelteile enthaltende Kolbenschaft von der Übertragung der auf den Kolbenboden einfallenden Wärme weitgehend entlastet wird, so daß kleine Einbauspiele anwendbar sind und ein Verkoken der Kolbenringnuten bzw. ein durch Ölkohleaufbau be- · dingtes Festkleben der Kolbenringe vermieden werden kann.Such a piston design is intended to ensure that the piston ring zone and the bearing skirt parts containing piston skirt from the transfer of the incident on the piston crown Heat is largely relieved, so that small installation clearances are applicable and a coking of the Piston ring grooves or sticking of the piston rings caused by the build-up of oil carbon can be avoided can.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, dieses Ziel ohne schädliche Überhitzung des Pleuelstangenkopflagers zu erreichen, dabei aber andererseits auch die Stabilität des Kolbens trotz dünnwandiger und daher erwünscht schmiegsamer Ausbildung des Schaftes nicht zu gefährden.The object on which the invention is based is to achieve this goal without damaging overheating of the connecting rod end bearing, but on the other hand also the stability of the piston despite thin-walled and therefore desirably more supple design of the shaft not to be endangered.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, einen Kolben der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß der Fortsatz, der in an sich bekannter Weise mit dem Kolbenboden und Kolbenschaft aus gleichem Werkstoff besteht und einstückig mit diesen verbunden ist, darüber hinaus mit dem Kolbenschaft durch Querstreben abgestützt ist, welche oberhalb der Lagerfläche des zweckmäßig bis in die untere Kolbenhälfte reichenden Fortsatzes in diesem verankert sind und sich ausschließlich zwischen ihm und den unterhalb der Kolbenringpartie liegenden Schaftteilen erstrecken, und daß ferner die Wärmeausdehnung der Querstreben z. B. durch Kühlung oder durch Verwendung eines Werkstoffes mit kleinerem Wärmedehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes klein gehalten ist.To solve this problem, the invention proposes a piston of the type mentioned at the beginning Kind to train that the extension, which in a known manner with the piston head and The piston skirt is made of the same material and is integrally connected to it, moreover is supported with the piston skirt by cross struts, which are appropriate above the bearing surface of the extension extending into the lower half of the piston are anchored in this and are exclusively extend between it and the shaft parts lying below the piston ring part, and that further the thermal expansion of the cross struts z. B. by cooling or by using a material is kept small with a lower coefficient of thermal expansion than that of the piston material.

Innerhalb dieser Kombination ist das an sich bekannte Merkmal, daß der mittig angeordnete Fortsatz mit dem Kolbenboden und Kolbenschaft einstückig sein soll, deshalb erflndungswesentlich, weil dadurch den Wärmefluß unterbrechende Fugen vermieden werden, während die Ausbildung des Fortsatzes derart, daß er bis in die untere Kolbenhälfte hineinreicht, eine thermische Überlastung des dadurch vom heißen Kolbenboden weiter weggerückten Pleuelstangenkopflagers vermieden ist. Im Gegensatz zu bekannten Kolbenbauarten, bei denen das Pleuelstangenkopflager an einem relativ kurzen Fortsatz nahe am Kolbenboden vorgesehen ist und daher hohe Temperaturen annimmt, welche die Lagerschmierung ungünstig beeinflussen können, ist es bei der erfindungsgemäßen Anordnung verhältnis-Kolben für Brennkraftmaschinen,Within this combination, the known feature is that the centrally arranged extension to be integral with the piston crown and piston skirt, therefore essential to the invention because thereby the heat flow interrupting joints are avoided, while the formation of the extension in such a way that it extends into the lower half of the piston, thereby causing a thermal overload from the hot piston crown further removed connecting rod end bearing is avoided. In contrast to known types of pistons in which the connecting rod end bearing on a relatively short Extension is provided close to the piston head and therefore assumes high temperatures, which the Can affect bearing lubrication unfavorably, it is in the arrangement according to the invention ratio piston for internal combustion engines,

insbesondere Leichtmetallkolbenin particular light metal pistons

für Dieselmotorenfor diesel engines

Anmelder:
Marianne Debelack, geb. Kögl, WienApplicant:
Marianne Debelack, née Kögl, Vienna

Vertreter: Dr.-Ing. W. Höger, Dr.-Ing. E. MaierRepresentative: Dr.-Ing. W. Höger, Dr.-Ing. E. Maier

und Dipl.-Ing. M. Sc. W. Stellrecht, Patentanwälte,and Dipl.-Ing. M. Sc. W. Stellrecht, patent attorneys,

Stuttgart-S, Uhlandstr. 16Stuttgart-S, Uhlandstr. 16

Beanspruchte Priorität:
Österreich, vom 29. Juni 1956Claimed priority:
Austria, June 29, 1956

August Debelack f, Wien,
ist als Erfinder genannt wordenAugust Debelack f, Vienna,
has been named as the inventor

mäßig langer Fortsätze möglich, einen Teil der einfallenden Wärme auf dem Wege vom Kolbenboden zu der Lagerstelle z. B. durch Abgabe an das im Kurbelgehäuse enthaltene Sprühöl oder durch besondere, z. B. in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Mittel und gegebenenfalls auch über die gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorzusehenden Querstreben abzuleiten.moderately long extensions possible, part of the incident heat on the way from the piston crown to the storage location z. B. by delivery to the spray oil contained in the crankcase or by special, z. B. shown in Fig. 1 of the drawing means and optionally also according to another To derive feature of the invention provided cross struts.

Hinsichtlich der letzteren ist es ferner erfindungswesentlich, daß ausschließlich solche Querstreben vorgesehen sind, die unterhalb der Ringzone in den Schaft einmünden, weil nur durch die vollständige Trennung der Ringpartie von dem den größten Teil der einfallenden Wärme aufnehmenden Fortsatz die gewünschte thermische Entlastung des Schaftes gewährleistet ist. Bei einer bekannten Kolbenbauart, die eine Aufhängung des Lagers für den zur Anlenkung des Pleuelstangenkopfes dienenden Kolbenbolzen an radialen Rippen vorsieht, die seitlich bis zur Ringpartie reichen und sich zum Teil auch noch nach dem offenen Schaftende zu über die Ringpartie hinaus erstrecken, tritt eine thermische Entlastung der Ringpartie nicht ein. Es wird hier im Gegenteil ein erheblicher Teil der auf den Kolbenboden einfallenden Wärme über die radialen Rippen direkt in die Ringpartie abgeleitet, und es tritt außerdem eine un-With regard to the latter, it is also essential to the invention that only such cross struts are provided which open into the shaft below the ring zone, because only through the complete Separation of the ring belt from the extension that absorbs most of the incident heat desired thermal relief of the shaft is guaranteed. In a known piston design, the one suspension of the bearing for the piston pin used to articulate the connecting rod head provides on radial ribs that extend laterally to the ring belt and partly also after the open shaft end to extend beyond the ring belt, there is thermal relief of the Ring not one. On the contrary, there is a considerable part of the incident on the piston crown Heat is dissipated directly into the ring belt via the radial ribs, and there is also an un-

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gleichmäßige Erwärmung der' tragenden Mantelteile auch im Fortsatz einzugießen und die Warmespannunüber die in sie hineinragenden Rippenteile ein. gen durch entsprechend steife Ausbildung der Quer-Ferner ist das Merkmal, daß die Querstreben ober- streben und ihrer Verankerungen zu kompensieren, halb der Lagerfläche des zweckmäßig bis in die untere Um insbesondere bei hochbeanspruchten Leicht-Kolbenhälfte reichenden Fortsatzes in diesem ver- 5 metallkolben, z. B. solchen für aufgeladene Dieselankert sind und unterhalb der Ringzone in den Schaft motoren, die erfindungsgemäße Wärmeregulierung einmünden sollen, auch deshalb erfindungswesentlich, zu gewährleisten, wird weiterhin vorgeschlagen, den weil nur so gewährleistet ist, daß die tragenden bei solchen Kolben üblichen unrunden, z. B. ovalen Schaftteile ihre Aufgabe als Kreuzkopf erfüllen, d. h. Schaftquerschnitt beizubehalten und die Querstreben die auftretenden Seitenkräfte aufnehmen können, ohne io in dem der Schwingungsebene der Pleuelstange bedeshalb selbst starkwandig und daher unerwünscht nachbarten Bereich des Kolbenquerschnittes, vorzugsstarr ausgebildet werden zu müssen. Auch das Merk- weise in Richtung der großen Ovalachse des Kolbenmal, daß der Kolbenschaft aus dem gleichen Werkstoff querschnittes bzw. parallel hierzu verlaufen zu wie der Kolbenboden und der Fortsatz besteht und lassen, wobei jeweils zwei einander gegenüberliegende mit ersterem einstückig verbunden ist, ist im Rahmen 15 Querstreben einstückig ausgebildet sein können,
der vorliegenden Erfindung bedeutungsvoll. Dieses Auf diese Weise kann eine nahezu spielfreie Füh-Merkmal kommt nämlich nicht nur der allgemeinen rung des Kolbens im Zylinder im Bereich der durch Forderung nach einer billigen und einfachen Her- die Zylinderachse gehenden Hauptbeanspruchungsstellungsmöglichkeit entgegen, sondern es gewähr- ebene, in der die Komponenten der Resultierenden aus leistet auch bei Kolben mit weit gegen das offene 20 den Verbrennungskräften wirksam sind, verwirklicht Schaftende vorspringenden und daher relativ schlan- werden, wobei sich der Kolbenschaft im wesentlichen ken, zur Aufnahme von Seitenkräften nicht geeigneten nur quer zu der genannten Ebene ausdehnen kann. Bodenfortsätzen, daß die Ringzone, die tragenden Durch die Anordnung der Querstreben im Bereich Schaftteile und der Fortsatz dauernd eine zueinander der Hauptbeanspruchungsebene wird gleichzeitig konzentrische Lage einnehmen. Bei einer bekannten 25 auch der Kolbenschaft in dieser Richtung nach Art Kolbenbauart, die aus einem Kopfteil, einem Boden, eines Kreuzkopfes abgestützt und versteift, so daß der Ringzone und einem vom Boden in das Kolben- eine Deformierung des Kolbenschaftes, die bei den innere ragenden Fortsatz aus Leichtmetall sowie aus üblichen unrunden Leichtmetallkolben mit in der einem Hemd besteht, das aus dünnwandigem Eisen- großen Achse liegenden Augen zur Aufnahme des blech gebildet ist und sich durch radiale Speichen- 30 Kolbenbolzens und dazwischenliegenden unversteifartige Blechteile gegen den Fortsatz abstützt, ist ten Schaftteilen im Bereich· der Hauptbeanspruchungsdieser Vorteil nicht gegeben. ebene auftreten kann, ausgeschlossen ist.uniform heating of the 'load-bearing shell parts is poured into the extension and the thermal tension is poured into the rib parts protruding into them. Due to the correspondingly stiff design of the transverse parts, the characteristic is that the transverse struts strive above and compensate for their anchoring, half of the bearing surface of the extension, which expediently extends into the lower area, z. B. are those for charged diesel armatures and motors below the ring zone in the shaft, the inventive heat regulation should open, also therefore essential to the invention, to ensure that the only way is guaranteed that the load-bearing in such pistons usual out of round, z . B. oval shaft parts fulfill their task as a cross head, ie to maintain the shaft cross-section and the cross struts can absorb the side forces that occur without having to be preferably rigid in the plane of vibration of the connecting rod itself, thick-walled and therefore undesirably adjacent area of the piston cross-section. Also the feature in the direction of the large oval axis of the piston mark that the piston skirt consists of the same material cross-section or runs parallel to it as the piston crown and the extension, with two opposite one another being integrally connected to the former, is also in the Frame 15 cross struts can be formed in one piece,
of the present invention is meaningful. In this way, an almost play-free guiding feature not only complies with the generalization of the piston in the cylinder in the area of the main load position due to the demand for a cheap and simple manufacture of the cylinder axis, but also ensures that the components the resultant from performs even with pistons with wide open 20 the combustion forces are effective, realized the end of the shaft protruding and therefore relatively slender, the piston shaft essentially ken, not suitable for absorbing lateral forces can only expand transversely to the plane mentioned . Soil extensions that the ring zone, the load-bearing due to the arrangement of the transverse struts in the area of the shaft parts and the extension permanently occupy a position concentric to one another of the main stress level. In a known 25 also the piston skirt in this direction in the manner of piston design, which is supported and stiffened from a head part, a base, a cross head, so that the ring zone and one from the base into the piston cause a deformation of the piston skirt that protrudes from the inner one Extension made of light metal and the usual non-round light metal pistons with a shirt in the form of thin-walled iron eyes to accommodate the sheet metal and supported against the extension by radial spoke piston pins and intervening non-rigid sheet metal parts, is th shaft parts in the area of main stress this advantage is not given. level can occur is excluded.

Da eine dauernd sichere und feste Verbindung Die erfind'ungsgemäße Kolbenbauart läßt sich zwischen der Leichtmetallringpartie und dem aus schließlich noch durch die Anwendung zum Teil an Blech bestehenden Hemd infolge des unterschiedlichen 35 sich bekannter Maßnahmen, insbessondere hinsicht-Wärmedehnungsverhaltens dieser Teile nicht erreich- Hch einer weiteren thermischen Entlastung des bar ist. muß hierbei vielmehr mit Relativversehiebun- Kolbenschaftes, weiter vervollkommnen,
gen zwischen der Längsachse des Hemdes und der So kann der zur Wärmespeicherung insbesondere des Kopfteiles und gegebenenfalls mit entsprechen- massiv ausgeführte Fortsatz in seinem wärmeleitenden Biegebeanspruchungen des Fortsatzes gerechnet 40 den Querschnitt so bemessen sein, daß die Ouerstreben werden, was darauf hinausläuft, daß das Kolbenhemd lediglich einen engen Ringraum überbrücken, der seine Aufgabe als Kreuzkopf nicht erfüllen kann. sich zur Bildung einer an sich bekannten Wärme-Schließlich ist auch das Merkmal, daß die Wärme- drossel zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenausdehnung der Ouerstreben klein gehalten werden schaft bis knapp unterhalb der Kolbenoberkante bzw. soll, deshalb von Bedeutung, weil ohne die ent- 45 des Kolbenbodens erstreckt, wobei der Querschnitt sprechenden Maßnahmen befürchtet werden müßte, des Ringraumes das zur Herstellung des Kolbens daß durch ihre eigene Wärmeausdehnung und durch mittels mehrteiliger Kerne erforderliche Ausmaß nicht Wärmeübergang von ihren relativ heißen Veranke- übersteigt.As a permanently secure and firm connection, the piston design according to the invention cannot be achieved between the light metal ring section and the shirt, which is also partly made of sheet metal due to the different measures known, in particular with regard to the thermal expansion behavior of these parts further thermal relief of the bar is. Rather, it has to be further perfected with relative displacement
Between the longitudinal axis of the shirt and the cross section, the cross-section of the heat storage especially of the head part and, if necessary, the correspondingly massive extension in its thermally conductive bending stresses of the extension can be dimensioned in such a way that the cross struts become, which means that the piston skirt only bridge a narrow annulus that cannot fulfill its function as a cross head. Finally, the feature that the heat throttle between the piston crown and the piston extension of the cross struts should be kept small to just below the upper edge of the piston is important because without the 45 of the piston head extends, the cross-section speaking measures would have to be feared, the annular space does not exceed the heat transfer from their relatively hot anchorage from their relatively hot anchorage due to their own thermal expansion and by means of multipart cores required by means of multi-part cores.

rungsstellen in Fortsatz zum relativ kühlen Kolben- Des weiteren kann zur Vergrößerung des Wärmeschaft an den Einmündungsstellen der Streben in den 50 Speichervermögens des Fortsatzes dieser bis in die Schaft örtliche Ausbuchtungen entstehen wurden, die untere Kolbenhälfte hinabreichen und mit einer an der Forderung nach geringen Einbauspielen zuwider- sich bekannten, gegen das offene Schaftende konvexen laufen. Soweit die Verringerung der Wärmeausdeh- Lagerfläche versehen sein, wobei letztere eine senknung der Querstreben durch Kühlung erreicht wird, recht zur Schwingungsebene der Pleuelstange sich dient sie außerdem zur thermischen Entlastung des 55 erstreckende zylindrische Form aufweisen kann und Pleuelstangenkopflagers. die Halteschrauben für die Lagerbrillen des Pleuel-ISTeben einer einfachen Herstellung des erfindungs- Stangenkopfes in den Querstreben selbst befestigt gemäßen Kolbens, die z. B. in der derzeit üblichen bzw. eingeschraubt sind.rungsstellen in the extension of the relatively cool piston can also increase the heat shaft at the confluence points of the struts in the 50 storage capacity of the extension of this to the Shank local bulges were created, the lower half of the piston reach down and with a the requirement for small installation clearances is known to be convex towards the open end of the shaft to run. As far as the reduction of the thermal expansion bearing surface be provided, the latter being a sinking the cross struts is achieved by cooling, right to the plane of oscillation of the connecting rod itself it also serves for thermal relief of the 55 extending cylindrical shape and can Connecting rod end bearings. the retaining screws for the bearing brackets of the connecting rod ISeven a simple production of the rod head according to the invention attached in the cross struts themselves according piston, the z. B. in the currently usual or are screwed.

Weise mittels mehrteiliger Kerne vorgenommen Sollte es sich aus konstruktiven Gründen als er-Made by means of multi-part cores. Should it prove to be

werden könnte, liegt es nunmehr im Belieben des 60 forderlich erweisen, die zur Wärmespeicherung not-could be, it is now at the discretion of the 60 to prove necessary, the necessary for heat storage

Fachmannes, durch die Auswahl eines entsprechenden, wendige Masse des Fortsatzes zu vermindern, oderA person skilled in the art, by selecting an appropriate, manoeuvrable mass of the extension to reduce, or

z. B. besonders legierten Werkstoffes für die Quer- sollte es sich ergeben, daß durch die vorstehend ge-z. B. specially alloyed material for the transverse should it turn out that the above-mentioned

streben die Wärmeregulierung des Kolbenschaftes so schilderten Maßnahmen allein eine Überhitzung derstrive to regulate the temperature of the piston skirt, the only measures outlined are overheating of the

vorzunehmen, daß seine Ausdehnung zumindest im Querstreben bzw. des Fortsatzes nicht verhindertmake that its expansion does not prevent at least in the cross struts or the extension

Bereich der Querstreifen auch bei einer hohen thermi- 65 werden könnte, wie dies allenfalls bei hochbeanspruch-The area of the horizontal stripes could also be exposed to a high thermal 65, as is the case with high-stress

schen Belastung innerhalb eines vorbestimmbaren ten Kolben mit einem im Kolbenboden ausgespartenrule load within a predeterminable th piston with a recessed in the piston crown

minimalen Spielraumes bleibt. Brennraum denkbar wäre, so kann der Fortsatz nochminimal leeway remains. Combustion chamber would be conceivable, so the extension can still

Hierbei wird es sich, sofern nicht besonders starke zusätzlich gekühlt werden, und es können zu diesemIn this case, it will be additionally cooled, provided that it is not particularly strong, and it can lead to this

Wärmedehnungsspannungen auftreten, stets emp- Zweck in letzterem an sich, bekannte öldurchtritts-Thermal expansion stresses occur, always recommended in the latter per se, known oil penetration

fehlen, die Querstreben sowohl im Kolbenschaft als 7° bohrungen vorgesehen und/oder in dem zwischen denmissing, the cross struts are provided both in the piston skirt as 7 ° bores and / or in the one between the

Ouerstreben verbleibenden Ringraum, gegebenenfalls zum Fortsatz hin ausgenommene bzw. hohle Wärmeableitungsbeilagen angeordnet werden, die der Dehnung des Kolbenschaftes folgen und einen Teil der im Fortsatz anfallenden Wärmemenge in die untere kühlere Schaftpartie ableiten.Annular space remaining on the struts, possibly hollow heat dissipation inserts which are recessed or hollow towards the extension are arranged that follow the expansion of the piston skirt and part of the amount of heat generated in the extension into the lower dissipate cooler shaft section.

Der Beschreibung können weitere vorteilhafte Ausbildungsmerkmale des erfindungsgemäßen Kolbens an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele entnommen werden, die in der Zeichnung in den Fig. 1 bis 6 und 8 dargestellt sind. Hierbei stellenFurther advantageous design features of the piston according to the invention can be added to the description Several exemplary embodiments can be found in the drawing in FIGS. 1 to 6 and 8 are shown. Ask here

Fig. 1 und 2 zueinander senkrechte Mittel schnitte eines Kolbens in der Ausführung mit einer an eine konvexe Lagerflächie des Fortsatzes angelenkten Pleuelstange undFig. 1 and 2 mutually perpendicular means cuts a piston in the embodiment with one to one articulated convex bearing surface of the extension Connecting rod and

Fig. 3 und 4 ähnliche Schnitte durch einen Kolben mit einer Klemmpleuelstange dar;3 and 4 show similar sections through a piston with a clamping connecting rod;

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt nach der Linie V-V in Fig. 2, undFig. 5 shows a cross section along the line V-V in Fig. 2, and

Fig. 6 zeigt denselben Querschnitt mit eingelegtem siebenteiligem Kern der Innenkokille, die bei der Herstellung des Kolbens verwendet wird;Fig. 6 shows the same cross section with an inserted seven-part core of the inner mold, which is used during manufacture of the piston is used;

Fig. 7 und 8 zeigen einen Kolben alter Bauart im \^ergleich mit einem erfindungsgemäßen Kolben und in je zwei aufeinander senkrechten Mittelschnitten, und in7 and 8 show a piston of the old type in comparison with a piston according to the invention and in two mutually perpendicular middle cuts, and in

Fig. 7 a und 8 a ist die Temperaturverteilung in den Böden dieser Kolben angedeutet. In sämtlichen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 7 a and 8 a is the temperature distribution in the Bottoms of these flasks indicated. In all figures, the same parts are provided with the same reference numerals.

In den Fig. 1, 2 und 5 kennzeichnet 1 den für den Kokillenguß notwendig konisch geformten Kolbenbodenfortsatz, 2 den dünnwandigen rohrförmigen Kolbenmantel, 3 eine einstückige, beispielsweise gegossene, in der Schwingungsebene der Pleuelstange senkrecht zur Kolbenlängsachse angeordnete Querstrebe mit einer den Seitendruck aufnehmenden Verankerungsplatte 3' bzw. 17 aus einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und/oder kleinerem Ausdehnungsbeiwert als dem des Kolbenmaterials. Um die beim Zusammenguß von Werkstoffen, die verschiedene Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen, auf längere Distanz auftretenden Spannungen weitestgehend zu vermeiden, ist die die Seitendrücke aufnehmende Verankerungsplatte 13 mittig angeordnet, derart, daß sich bei der Erwärmung die verschiedenen Werkstoffe unabhängig voneinander ausdehnen können.In Figs. 1, 2 and 5, 1 denotes the conical piston crown extension necessary for the chill casting, 2 the thin-walled tubular piston skirt, 3 a one-piece, for example cast, Cross strut arranged in the plane of oscillation of the connecting rod perpendicular to the piston longitudinal axis with an anchoring plate 3 'or 17 made of a material that absorbs the side pressure poor thermal conductivity and / or a smaller expansion coefficient than that of the piston material. In order to ensure that materials with different coefficients of thermal expansion are cast together, Avoiding tensions occurring over long distances as far as possible is the one that absorbs the side pressures Anchoring plate 13 arranged in the middle, so that the various Materials can expand independently of one another.

Mittels segmentartiger Beilageplatten 4, die an der Querstrebe 3 und in einer angedrehten Zentrierstufe 4' des Kolbenmantels 2 anliegen, wird die den Pleuelstangenkopf 18 unterfassende Lagerschale 6 so steif gegen die auftretenden Seitenkräfte zentriert und fixiert, daß die Befestigungsschrauben 5 der Lagerschale 6 gegen seitliche Beanspruchungen, völlig entlastet sind und lediglich auf Zug beansprucht werden, wobei letztere nunmehr mit größter Vorspannung angezogen werden können. 7 sind die in der Zeichnung nur angedeuteten Bügel, über die die zwei Lagerschalen 6 die Fliehkräfte des Kolbens auf den Pleuelstangenkopf 18 gleichmäßig übertragen und die dementsprechend kräftig zu dimensionieren sind. Die Lagerfläche der Pleuellagerung in Fig. 1 und 2 ist zum offenen Kolbenschaftende in der Schwingungsebene der Pleuelstange konvex, zweckmäßig halbkreisförmig gestaltet, wogegen sie senkrecht zu der Schwingungsebene der Pleuelstange die Form einer dem konvexen Querschnitt entsprechenden Zylinderfläche aufweist. Hierdurch kann der dieser Lagerfläche angepaßte konkave Pleuelkopf leichter bearbeitet, z.B. feinst gedreht werden, und außerdem kann der Fortsatz 1 eine gröißere Masse erhalten. Für besonders hochbeanspruchte Kolben wird sich gegebenenfalls eine Weißmetall- oder Bronzelagerschale empfehlen, die im Fortsatz 1 durch Eingießen oder austauschbar befestigt sein kann.By means of segment-like shims 4, which are attached to the cross strut 3 and in a turned centering step 4 ' of the piston skirt 2 are in contact, the bearing shell 6, which surrounds the connecting rod head 18, becomes so stiff centered against the occurring side forces and fixed that the fastening screws 5 of the bearing shell 6 against lateral loads, are completely relieved and are only subjected to tension, the latter can now be tightened with the greatest pretension. 7 are those in the drawing only indicated bracket, over which the two bearing shells 6 the centrifugal forces of the piston on the connecting rod head 18 transferred evenly and which must be dimensioned accordingly strong. the The bearing surface of the connecting rod bearing in FIGS. 1 and 2 is convex, appropriately semicircular, towards the open end of the piston skirt in the plane of oscillation of the connecting rod designed, whereas it has the shape of a perpendicular to the plane of oscillation of the connecting rod has the convex cross-section corresponding cylinder surface. This allows this storage area Adapted concave connecting rod ends can be machined more easily, e.g. finely turned, and also can the extension 1 received a larger mass. For pistons that are subject to particularly high loads, it may be necessary recommend a white metal or bronze bearing shell, which is in the extension 1 by pouring or can be attached interchangeably.

Zur Verstärkung der Wärmeableitung z. B. bei überladenen Zweitakt-Dieselmotoren werden zweckmäßig Wärmeableitungsbeilagen 8 seitlich an dem angefrästen Fortsatz 1 in dem zwischen der Querstrebe 3 verbleibenden Raum angebracht, die ebenso wie der mittlere Fortsatz 1 zum Teil hohl ausgebildet und zusätzlich mit einer Kühlflüssigkeit 9 oder mit Schmieröl von der durchbohrten Pleuelstange 18 aus gespeist werden können. Die Massenkräfte der Wärmeableitungsbeilagen 8 werden durch die Stufe 10 des Kolbenschaftes 2 aufgenommen, wobei in diesem Bereich der untere Teil der Wärmeableitungsbeilagen 8 durch Niete 12 fixiert ist. Damit diese segmentartigen Beilagen 8 in ihrem unteren Teil der Wärmedehnung bzw. verschiedenen Krümmung des Kolbenschaftes 2 folgen können, sind Längsschnitte 11 eingefräst oder eingesägt. Ein oberes festes Anliegen am Fortsatz 1 auch bei größter Erwärmung verbürgt eine warmfeste Schraubenfeder 19, die auch durch eine entsprechende Schraube ersetzt werden kann.To strengthen the heat dissipation z. B. with overloaded two-stroke diesel engines are useful Heat dissipation inserts 8 on the side of the milled Extension 1 attached in the space remaining between the cross brace 3, as well as the middle extension 1 partially hollow and additionally with a cooling liquid 9 or with Lubricating oil can be fed from the pierced connecting rod 18. The mass forces of Heat dissipation shims 8 are received by the step 10 of the piston skirt 2, wherein in In this area, the lower part of the heat dissipation shims 8 is fixed by rivets 12. So that these segment-like inserts 8 in their lower part of the thermal expansion or different curvature of the Piston skirt 2 can follow, longitudinal cuts 11 are milled or sawed. A top priority a heat-resistant coil spring 19, which also by a corresponding screw can be replaced.

Die Durchmesserausdehnungskompensierung des durch einen ringsherum laufenden Ringspalt vom zentralen Fortsatz 1 weitgehend abgesonderten KoI-benmantels bzw. der Tragfläche desselben erfolgt in der Weise, daß die in der Schwingungsebene der Pleuelstange 18 bzw. in der Ouerkomponenteiirichtung der Druckkräfte wirksame starre Verbindung von Fortsatz 1 und dem dünnen rohrförmigen Kolbenmantel 2 mittels der einstückigen, eingegossenen Ouerstrebe 3 zumindest in seinem unrunden, den Verankerungsflanschen 3' annähernd entsprechenden Bereich den warm werdenden Kolbenmantel 2 nur mehr quer zur Schwingungsebene, das ist also in Richtung der Kurbelwelle, ausdehnen läßt, so· daß die die Seitenkräfte übertragenden Tragflächen des Kolbenmantels 2, die durch die kreuzkopfartigen Verankerungen 3', 17 der Ouerstrebe 3 abgestützt werden, sich genauest und spiellos bei allen Betriebstemperatüren der Zylinderbohrung stets klemmfrei anpassen. Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Kolbenausbildung, bei welcher der verschiedenen Druckbeanspruchung entsprechend angefräste Pleuelkopf einen kurzen Kolbenbolzen trägt, welcher z. B. durch eine Klemmschraube fixierbar ist. In diesem Falle muß der zentrale Fortsatz 1 seitlich durchbohrt werden, ebenso wie dei Kolbenmantel 2, wobei letzterer durch Scheiben 15 nachträglich wieder verschlossen werden kann. Die einstückig· ausgeführte Ouerstrebe 3 besteht aus einem starken bogenförmigen gestanzten Blech von schlechter Wärmeleitfähigkeit und/oder kleinerem Ausdehnungsbeiwert mit gleitschuhähnlichen Enden 17, die, in den Mantel 2 allseits um- und eingegossen, eine gute Verankerung auch auf einen längeren Schaftbereich ergeben, so daß eine verläßliche Durchmesserregelung verbürgt ist.The diameter expansion compensation of the KoI-benmantels largely separated from the central extension 1 by an annular gap running around it or the supporting surface of the same takes place in such a way that the rigid connection of extension 1 and the pressure forces effective in the plane of oscillation of the connecting rod 18 or in the Ouerkomponenteiirrichtung of the pressure forces thin, tubular piston skirt 2 by means of the one-piece, cast-in cross strut 3, at least in its non-circular area, which roughly corresponds to the anchoring flanges 3 ', allows the warmer piston skirt 2 to expand only transversely to the plane of oscillation, i.e. in the direction of the crankshaft, so that the Lateral force-transmitting support surfaces of the piston skirt 2, which are supported by the crosshead-like anchors 3 ', 17 of the cross strut 3, always adapt precisely and without play at all operating temperatures of the cylinder bore without jamming. 3 and 4 show a piston design in which the different pressure loads correspondingly milled connecting rod head carries a short piston pin which z. B. can be fixed by a clamping screw. In this case, the central extension 1 must be drilled through laterally, as well as the piston skirt 2, the latter being able to be closed again later by disks 15. The one-piece cross brace 3 consists of a strong, arched stamped sheet metal with poor thermal conductivity and / or a smaller expansion coefficient with ends 17 similar to sliding shoes, which, cast around and cast into the jacket 2 on all sides, result in good anchoring even on a longer shaft area, so that a reliable diameter control is guaranteed.

Fig. 5 läßt die gegenüber mit Bolzennaben versehenen Kolben vergrößerbare, ungeteilte halbzylinderische Pleuellagerung erkennen, die eine geringere spezifische Lagerbelastung gewährleistet.Fig. 5 leaves the piston provided with pin bosses enlargeable, undivided semi-cylindrical Recognize connecting rod bearings that guarantee a lower specific bearing load.

Fig. 6, welche eine zum Gießen des erfindungsgemäßen Kolben verwendbare siebenteilige Innenkokille zeigt, soll veranschaulichen, daß trotz des Vorhandenseins eines engen Ringspaltes und der Querstrebe 3 zwischen den Seitenkernen d, e, f und g beim Zuar.in-Fig. 6, which shows a seven-part inner mold which can be used for casting the piston according to the invention, is intended to illustrate that despite the presence of a narrow annular gap and the cross strut 3 between the side cores d, e, f and g in the Zuar.in-

mensetzen des Kernes vor dem Einheben in den Kokillenmantel ein flotter Guß in der gebräuchlichen Art mit dem Kolbenboden unten — um letzteren besonders dicht zu bekommen — möglich ist, indem die Kerne in der Reihenfolge ihrer alphabetischen Bezeichnung gezogen werden. Der Mittelkern α wird zuerst senkrecht hochgezogen, wodurch reichlich Platz wird, um die Steitenkerne b und c etwas nach der Mitte zu rücken, um sie dann ebenfalls hochzuziehen, wogegen die Außenkerne d, e, f und g zuerst in an sich bekannter Weise viertelkreisförmig geschwenkt werden müssen, worauf dieselben dann ebenfalls leicht hoch- bzw. herauszunehmen sind.To put the core in place before lifting it into the mold shell, a brisk casting in the usual way with the piston crown down - to get the latter particularly tight - is possible by pulling the cores in the order of their alphabetical designation. The central core α is first pulled up vertically, which leaves plenty of space to move the side cores b and c slightly to the center and then pull them up as well, while the outer cores d, e, f and g first pivoted in a manner known per se in a quarter circle must be, whereupon the same can then also be easily taken up or taken out.

Die Fig. 7 veranschaulicht einen aus einem einheitlichen Werkstoff bestehenden Kolben alter Bauart mit Bolzenaugen und die Fig. 8 im Vergleich dazu einen solchen gemäß der Erfindung. Aus den Figuren sind die großen Unterschiede in den Mantelwandstärken u, ν und w beim alten Kolben bzw. χ beim neuen Kolben zu erkennen. Der Kolbenmantel gemäß der Erfindung von z. B. 120 mm Kolbendurchmesser hat eine Wandstärke χ von nur 3 mm, während die Stärken in den einzelnen Teilen der bisher üblichen Kolben gleichen Durchmessers z. B. u gleich 10 mm, ν gleich 22 mm und w gleich 24 mm betragen. Aus dem in den zügehörigen Fig. 7 a und 8 a dargestellten Temperaturverlauf sind auch die gemäß der Erfindung erreichten Temperaturerniedrigungen im Kolbenboden zu erkennen. Beim alten Kolben tritt in der Mitte des Kolbenbodens eine Temperaturspitze 5" auf, d. h., die Temperatur ist dort bedeutend höher als an den Rändern. Beim neuen Kolben ergibt sich dagegen ein gleichmäßiger Verlauf über den ganzen Kolbenboden ohne das Auftreten irgendwelcher Wärmespitzen. Unter Temperaturspitze ist dabei zu verstehen, daß die Temperatur in der Mitte der oberen Fläche des Kolbenbodens bedeutend höher ist als an den Rändern desselben.FIG. 7 illustrates an old type of piston made of a uniform material with bolt eyes and FIG. 8 in comparison therewith such a piston according to the invention. The figures show the major differences in the shell wall thicknesses u, ν and w on the old piston and χ on the new piston. The piston skirt according to the invention of, for. B. 120 mm piston diameter has a wall thickness χ of only 3 mm, while the strengths in the individual parts of the previously common piston of the same diameter z. B. u is 10 mm, ν is 22 mm and w is 24 mm. From the temperature profile shown in the associated FIGS. 7 a and 8 a, the temperature reductions achieved according to the invention in the piston crown can also be seen. With the old piston, a temperature peak of 5 "occurs in the middle of the piston crown, ie the temperature there is significantly higher than at the edges. With the new piston, on the other hand, there is a uniform curve over the entire piston crown without the occurrence of any heat peaks to understand here that the temperature in the center of the upper surface of the piston crown is significantly higher than at the edges of the same.

Was die Lagerung des Pleuelstangenkopfes bei den in den Fig. 7 und 8 einander gegenübergestellten KoI-benbauarten anbelangt sei darauf hingewiesen, daß sich der Entfall des schweren Kolbenbolzens beim erfindungsgemäßen Kolben nach Fig. 8 mit einer etwa 25°/oigen Gewichts\'erminderung günstig hinsichtlich der Verringerung der Massenkräfte auswirkt, da die gesamte Pleuelverschraubung nicht soviel wie der Kolbenbolzen bei einem Kolben gemäß Fig. 7 wiegt (945 g). Der Kolben nach der Erfindung kann demgemäß auch ein geringeres Gesamtgewicht aufweisen als ein Zweinabenkolben bekannter Art mit Kolben- go bolzen, weil hinsichtlich des Kolbenschaftes im wesentlichen lediglich eine Massenverlagerung stattfindet im Sinne einer Unterbringung der durch den dünnen Kolbenmantel in Fortfall kommenden Massen im mittleren Kolbenbodenfortsatz. Bei einem bekannten hochbeanspruchten Zweitakt-Leichtmetall-Dieselkolben üblicher Bauart mit einem in den Bolzennaben des Kolbenmantels gelagerten Kolbenbolzen mit einem Kolbendurchmesser von 120 mm beträgt das Kolbengewicht 3280 g mit einem Einbauspiel von 24/100 mm unterhalb der Kolbenringzone, wogegen ein Kolben der Bauart gemäß der Erfindung bei gleichen Außendurchmessern mit einem Gewicht von 2978 g und einem Einbauspiel von 8/100 und darunter ausgefiÜr-t werden kann.With regard to the storage of the connecting rod head in the piston types shown opposite one another in FIGS. 7 and 8, it should be pointed out that the omission of the heavy piston pin in the piston according to the invention according to FIG. 8 with an approximately 25% weight reduction is beneficial in terms of reducing the inertia forces, since the entire connecting rod screw connection does not weigh as much as the piston pin in a piston according to FIG. 7 (945 g). The piston according to the invention can accordingly also have a lower overall weight than a two-piston piston of the known type with piston bolts, because essentially only a displacement of mass takes place with regard to the piston skirt in the sense of accommodating the masses coming through the thin piston skirt in the middle piston crown extension. In a known, highly stressed two-stroke light metal diesel piston of the usual design with a piston pin with a piston diameter of 120 mm mounted in the pin bosses of the piston skirt, the piston weight is 3280 g with an installation clearance of 24/100 mm below the piston ring zone, whereas a piston of the type according to Invention can be executed with the same outer diameter with a weight of 2978 g and an installation clearance of 8/100 and below.

Naturgemäß muß es dem Fachmann überlassen bleiben, je nach den vorherrschenden Betriebsbedingungen und der gewünschten konstruktiven Ausführung des Kolbens selbst (Art der Lagerung des Pleuelstangenkopfes, Anwendung einer KühlungNaturally, it must be left to the expert, depending on the prevailing operating conditions and the desired structural design of the piston itself (type of mounting of the Connecting rod end, application of cooling

u. dgl.) die Bemessung der Masse für den Kolbenbodenfortsatz so vorzunehmen, daß in Verbindung mit einer entsprechenden Auswahl für den Werkstoff der Querstreben optimale Verhältnisse hinsichtlich einer Kompensation der Wärmedehnung des Kolbenschaftes auftreten und ein minimales Einbauspiel ermöglicht wird.and the like) to measure the mass for the piston crown extension so that in connection with an appropriate selection for the material of the cross braces optimal conditions with regard to a compensation of the thermal expansion of the piston skirt occur and allows a minimal installation clearance will.

Gegebenenfalls wird es sich zur Einhaltung dieses minimalen Spieles zusätzlich empfehlen, bei Großkolben, z. B. bei Schiffsdieselkolben, die zumeist nicht mehr einstückig gegossen, sondern mehrteilig ausgeführt werden, sowie auch für Reparatuirzwecke u. dgl. die Querstreben als reinverstellbare bzw. als nachstellbare Schiraubenkonstruktion auszubilden, es kann auch der \^rerbreiterte Pleuelstangenkopf dazu benutzt werden.If necessary, in order to maintain this minimum clearance, it is also advisable to use large pistons, e.g. B. marine diesel pistons, usually not more integrally molded, but made in several parts, the cross struts, as well as u for Reparatuirzwecke. Like. Form than purely adjustable, or as adjustable ski Prey construction, it can be used also \ ^r erbreiterte connecting rod big end thereto.

Wenngleich die beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 1 bis 6 und 8 vornehmlich oval geschliffene Leichtmetallkolben betreffen, so kann das darin verwirklichte Prinzip zur Regelung bzw. Kompensation der Wärmedehnung eines Kolbenschaftes mittels bestimmte Eigenschaften aufweisender Querstreben bei zahlreichen anderen ähnlichen, auch kreisrunden, aus Schwermetall (Gußeisen) bestehenden, ein- und mehrstückigen Kolbenbauarten angewendet werden.Although the exemplary embodiments described according to FIGS. 1 to 6 and 8 are primarily ground oval Relate to light metal pistons, the principle implemented therein for regulation or compensation the thermal expansion of a piston skirt by means of cross struts with certain properties with numerous other similar, including circular ones made of heavy metal (cast iron), one-piece and multi-piece piston designs are used.

So wäre unter Verzicht auf eine einfache Kolben bauweise auch durchaus denkbar, bei den als zum Stande der Technik gehörig bezeichneten mehrteiligen Kolbenbauarten mit einem Kolbenbodenfortsatz aus Leichtmetall und einem dünnwandigen Blechmantel als Kolbenhemd die radialen Abstützungen aus einem besonders legierten Werkstoff herzustellen, der den an den Werkstoff der einstückigen Querstrebe gestellten Anforderungen auch hinsichtlich des Kolbenschaftwerkstoffes entspricht.This would mean dispensing with a simple piston design also quite conceivable in the case of the multi-part designated as belonging to the state of the art Piston designs with a piston crown extension made of light metal and a thin-walled sheet metal jacket to produce the radial supports as a piston skirt from a specially alloyed material that supports the The material of the one-piece cross strut is also subject to requirements with regard to the piston skirt material is equivalent to.

Claims

Patent claims:

1. Pistons for internal combustion engines, in particular Light alloy pistons for diesel engines, with a protruding from the piston crown into the piston interior, centrally arranged and tapering appendage, which at its base up to close to the inner wall the ring belt extends and on which the connecting rod head is mounted, characterized in that that the extension, which in a known manner with the piston head and piston skirt of the same Material consists and is integrally connected with these, in addition to the piston skirt (2) is supported by cross struts (3), which above the bearing surface of the down into the lower Piston half-reaching extension are anchored in this and are exclusively between it and the shaft parts lying below the ring belt extend, with their thermal expansion z. B. by cooling or by using a material with a smaller coefficient of thermal expansion than that of the piston material (extension, base, skirt) is kept small.

2. Piston according to claim 1, in particular with a non-circular skirt cross-section, characterized in that that the cross struts (3) in which the plane of vibration of the connecting rod (18) is adjacent bearing area of the piston cross-section, preferably in the direction of the major axis of the elliptical piston cross-section or run parallel to it, expediently two each opposing cross struts (3) are integrally formed.

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3. Piston according to claim 2, characterized in that only a single, one-piece Cross strut (3) is provided, which in the plan view in the direction of the major axis of the elliptical Piston cross-section runs.

4. Calving according to claim 2 or 3, characterized in that the anchorages of the transverse struts (3) in the extension (1) essentially in the Mittelacih.ee of the extension (1) or the piston are provided.

5. Piston according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cross struts (3) Are designed to be changeable in their length by screws or the like.

6. Piston according to one of claims 1 to 5 with a particularly massive heat accumulator executed extension, characterized in that the cross struts (3) only a narrow Bridge annulus, which is used to form a known heat throttle between the Piston crown and the piston skirt (2) to just below the upper edge of the piston or the piston crown extends, wherein the cross section of the annular space that for the manufacture of the piston means multipart cores does not exceed the required extent or only slightly.

7. Piston according to claim 6, characterized in that the cross struts (3) above the The bearing surface of the extension (1) reaching into the lower piston half is arranged and, if necessary running obliquely downwards, approximately at the height of the articulation axis of the connecting rod (18) are cast in the piston skirt (2) below the piston ring area.

8. Piston according to claim 7 with a bearing surface of the extension which is convex towards the open shaft end and one of these corresponding, bowl-shaped bearing surfaces in the connecting rod head, thereby characterized in that the convex bearing surfaces are perpendicular to the plane of vibration Connecting rod (18) have a cylindrical shape and the retaining screws (5) for the bearing brackets (6) of the connecting rod head (18) fixed in the cross struts (3), e.g. B. are screwed.

9. Piston according to claim 6, in particular with a transverse bore provided in the extension for Receiving the piston pin fastened in a clamping connecting rod, characterized in that that the one-piece cross struts (3) corresponding to the shape of the bearing surfaces of the piston crown extension (1) or the Bolzenbofarung are designed and have sliding shoe-like anchoring brackets (17), which are below the piston rings in the direction of the open end of the shaft, preferably via the pivot axis or Cross-sectional plane extending through the center of the piston pin.

10. Piston according to one of claims 1 to 9, in particular with one in the piston head or extension arranged combustion chamber, characterized in that to avoid overheating the cross struts (3) or the extension (1) in the latter in a known manner oil passage bores are provided and / or in the annular space remaining between the cross struts (3), if necessary, to the extension (1) recessed or hollow heat dissipation inserts (8) are arranged are that follow the expansion of the piston skirt and part of the in the extension (1) Dissipate the amount of heat into the lower, cooler shaft section (10).

Considered publications:
German Patent No. 533,924;
Swiss Patent No. 196 043;
U.S. Patent Nos. 1784291, 1878 566, 1914268.

1 sheet of drawings

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