DE1078387B - Aluminum pistons with curved control elements cast in the shaft - Google Patents

Aluminum pistons with curved control elements cast in the shaft

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DE1078387B
DE1078387B DESCH23246A DESC023246A DE1078387B DE 1078387 B DE1078387 B DE 1078387B DE SCH23246 A DESCH23246 A DE SCH23246A DE SC023246 A DESC023246 A DE SC023246A DE 1078387 B DE1078387 B DE 1078387B
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Wilhelm Kraemer
Gerhard Schieber
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Karl Schmidt GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/02Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/04Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/04Resilient guiding parts, e.g. skirts, particularly for trunk pistons

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellten Regelkolben für. hohe thermische und mechanische Beanspruchungen, der ein kleines Laufspiel aufweist.The invention relates to a control piston made of aluminum or aluminum alloys for. high thermal and mechanical stress, which has a small running clearance.

Die Anordnung von Regelgliedern in Form von Ringen, Streifen, Segmenten oder andersartigen Elementen verschiedenster Ausführung im oberen Teil und gegebenenfalls in der Nähe des offenen Endes des Kolbenschaftes ist bekannt. Weiterhin sind aber auch Ausführungen nicht mehr neu, bei welchen die Regelglieder in Form von breiten Stahlblechstreifen in der Nähe der Kolbenbolzenaugen, ein- oder mehrteilig ausgebildet, eingegossen sind. Regelglieder in Form von Stäben, die eingegossen werden und hierdurch die wirkliche Temperaturdehnuhg des Schaftes beeinflüssen, haben weiterhin bereits Anwendung gefunden. Diese bisher allgemein üblichen Regelglieder sprechen an, entweder infolge des großen Unterschiedes des Wärmeausdehnungskoeffizienten ihres Werkstoffes gegenüber dem des Kolbens oder einer Bimetallwirkung oder auch durch eine Art Faßreifeneffekt.The arrangement of control elements in the form of rings, strips, segments or other types of elements various designs in the upper part and possibly near the open end of the The piston skirt is known. Furthermore, versions are no longer new in which the control elements in the form of wide sheet steel strips near the piston pin bosses, one or more parts formed, are cast. Control elements in the form of rods that are cast and thereby the affect the real temperature expansion of the shaft, have already found application. These previously common rules speak either due to the large difference in the coefficient of thermal expansion of their material compared to that of the piston or a bimetal effect or by a kind of barrel hoop effect.

Es ist weiterhin nicht mehr neu, im Leichtmetallkolben Einlegestreifen, die bügeiförmig gekrümmt sind, so einzugießen, daß sie die Kolbenbolzenaugen von unten umfassen und sich nur, noch über ein benachbartes Bereich in den Kolbenschaft hinein erstrecken. Diese Regelglieder bilden zum Teil die innere Mantelwand des Kolbens. Sie ergeben zusammen mit der Leichtmetallkolbenwand einen bimetallischen Verbundkörper, der sich bei Erwärmung unter relativer Verkleinerung des Biegungshalbmessers krümmt.It is still no longer new, in the light metal piston insert strips, which are bow-shaped are to be poured in such a way that they encompass the piston pin bosses from below and only extend over an adjacent one Extend area into the piston skirt. These control elements partly form the inner jacket wall of the piston. Together with the light metal piston wall, they result in a bimetallic one Composite body, which when heated with a relative reduction in the radius of the bend bends.

Es ist auch schon bekannt, bei derartigen Regelgliedern zur Steuerung der Regel wirkung Löcher in denselben vorzusehen und die Streifen die Kolbenbolzenaugen in ihrem ganzen Umfang umfassen zu lassen,It is also already known in the case of control elements of this type to control the rule effect to provide holes in the same and the strips the piston pin bosses to be encompassed in their entirety,

Erfindungsgemäß wird bewußt nicht von der Bimetallwirkung Gebrauch gemacht, sondern die elastische Verformung des Regelgliedes auf mindestens eine der Laufflächen des Kolbens, d. h, also um 90° gegenüber den bisher üblichen Ausführungen verlegt. Die dabei verwendeten Regelglieder sind in an sich bekannter Weise gekrümmte Streifen oder Platten, die sich über die ganze Schaftlänge oder auch nur über einen Teil derselben erstrecken. Sie sind mit ihren Enden in der -Nähe der Bolzenaugen in dem Kolbenwerkstoff verankert. Hierdurch ist erreicht, daß beim Erstarren des Kolbenwerkstoffes und der dabei auftretenden Spannungen zwischen dem Kolbenwerkstoff und dem Regelglied eine elastische Verformung quer zu dem Kolbenbolzen erfolgt.According to the invention, use is deliberately not made of the bimetallic effect, but rather the elastic one Deformation of the control member on at least one of the running surfaces of the piston, d. h, i.e. by 90 ° relocated compared to the usual designs. The regulating elements used are inherent As is known, curved strips or plates that extend over the entire length of the shaft or only extend over part of the same. Their ends are close to the bolt eyes in the Anchored piston material. This ensures that when the piston material and the solidification the stresses occurring between the piston material and the control element cause elastic deformation takes place transversely to the piston pin.

Die gekrümmten Regelglieder, können so ausgebildet sein, daß in radialer Richtung gemessen derThe curved control elements can be designed so that the measured in the radial direction

mit im Schaft eingegossenenwith cast in the shaft

gekrümmten Regelgliederncurved control elements

Anmelder:Applicant:

Karl Schmidt G.m.b.H.,
Neckarsulm, Fabrikstr. 10
Karl Schmidt GmbH,
Neckarsulm, Fabrikstr. 10

Gerhard Schieber, BadWimpfen,Gerhard Schieber, BadWimpfen,

und Wilhelm Krämer, Neckarsulm,and Wilhelm Krämer, Neckarsulm,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

Abstand der Streifen von der Schaftoberfläche verschieden groß ist. Er ist ein Maß für die Stärke der angestrebten Regelwirkung. Eine weitere Möglichkeit, die Größe der Regelwirkung zu beeinflussen, besteht in der Wahl der Länge über den in Frage kommenden Bereich des Schafturnfanges derartiger Streifen, wobei durch die Verwendung eines Streifens mit verhältnismäßig kleinem Umfangsbereich auch nur eine geringe Regelwirkung zustande kommt und umgekehrt durch ein breiteres Regelglied ein entsprechend größerer Teil des Schaftumfanges elastisch verformt wird. Das Regelglied kann dabei auch mit unterschiedlichen Querschnittsabmessungen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung hergestellt werden. Das Regelglied kann z. B. so gestaltet sein, daß es in axialer Richtung unterhalb der Ringpartie breiter und nach dem offenen Schaftende zu schmaler ist. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, die Gestalt des Regelgliedes von der Zylinderform abweichen zu lassen und sie gegebenenfalls kegelförmig zu wählen. Der Regelstreifen braucht ferner in seiner Krümmung nicht kreisförmig zu sein und auch nicht konzentrisch zum Kolbenmantel zu liegen. Bei allen diesen Aus-: führungen zeigt sich nach dem Erstarren und der da-bei entstehenden unterschiedlichen Spannungen zwischen Kolbenwerkstoff und Regelglied bzw. beim Umgießen des Streifens auf der Innenseite des Stahl-' Streifens ein mehr oder weniger großer Spalt in Umfangsrichtung, der sich bei steigender Temperatur, des Kolbens verkleinert.The distance between the strips and the shaft surface is different. It is a measure of the strength of the desired control effect. There is another possibility of influencing the size of the control effect in the choice of the length over the relevant area of the shaft circumference of such strips, whereby by using a strip with a relatively small circumferential area, only one low control effect comes about and vice versa by a wider control element a corresponding larger part of the shaft circumference is elastically deformed. The control element can also do this with different cross-sectional dimensions can be produced both in the radial and in the axial direction. The control element can, for. B. be designed so that it is wider in the axial direction below the ring belt and is too narrow after the open shaft end. It is still possible to change the shape of the To allow the control element to deviate from the cylindrical shape and, if necessary, to choose it to be conical. Furthermore, the control strip does not need to be circular in its curvature and also not concentric to lie to the piston skirt. In all of these designs, it shows after solidification and the resulting different tensions between piston material and control element or during casting of the strip on the inside of the steel 'strip a more or less large gap in the circumferential direction, which increases with increasing temperature, des Piston downsized.

909 767/212909 767/212

1 07Ö3Ö71 07Ö3Ö7

Die Abbildungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele. The figures illustrate exemplary embodiments.

Die Abb. 1, 2, 3 und 7 sind Längsschnitte durch einen Leichtmetallkolben. .Figs. 1, 2, 3 and 7 are longitudinal sections through a light metal piston. .

Die Abb. 4 stellt einen Horizontalschnitt eines Kolbens in Richtung A-B nach Abb. 3 dar, wobei die linke Seite den kalten und die rechte Hälfte den betriebswarmen Zustand veranschaulicht.Fig. 4 shows a horizontal section of a piston in the direction AB according to Fig. 3, the left side illustrating the cold and the right half the operating temperature.

Die Abb. 5 ist teils ein Schnitt durch ein Bolzenauge, teils eine Ansicht.Fig. 5 is partly a section through a bolt eye, partly a view.

Die Abb. 6 läßt einen Horizontalschnitt eines Regelkolbens durch die Mitte der Kolbenbolzenaugen erkennen.Fig. 6 shows a horizontal section of a control piston through the center of the piston pin bosses recognize.

In sämtlichen Abbildungen sind der Kopf des Aluminiumkolbens mit a, sein Schaft mit b und die Regelglieder mit c bezeichnet.In all figures, the head of the aluminum piston is marked with a, its shaft with b and the control elements with c .

In einem Aluminiumkolben α sind im Schaft b die gekrümmt ausgeführten plattenförmig gestalteten Regelglieder c eingegossen, wobei sie sich in ihrer Längsrichtung über den größten Teil des Schaftes erstrecken und gegebenenfalls auch noch bis in die Ringpartie d hineinragen können (Abb. 3, rechte Seite). Sie umfassen dabei den Schaftumfang mindestens auf einer für den Wärmeaustausch maßgebenden Tragfläche, wie den Abb. 4 und 6 entnommen wenden kann. Die streifen- bzw. plattenförmigen Regelglieder c können gegebenenfalls zur besseren Verankerung Aussparungen e (Abb. 2) aufweisen. Die Regelglieder bestehen aus einem metallischen Werkstoff, der einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, als ihn der Kolbenwerkstoff besitzt.The curved plate-shaped control elements c are cast in an aluminum piston α in the shaft b , whereby they extend in their longitudinal direction over the largest part of the shaft and, if necessary, can also protrude into the ring zone d (Fig. 3, right-hand side). They encompass the circumference of the shaft at least on one supporting surface that is decisive for the heat exchange, as can be seen from FIGS. 4 and 6. The strip-shaped or plate-shaped control elements c can optionally have recesses e (Fig. 2) for better anchoring. The control elements consist of a metallic material that has a lower coefficient of thermal expansion than the piston material.

Wie die Abb. 1 im linken Teil erkennen läßt, ist das Regelglied c so im Kolbenschaft angeordnet, daß es vollkommen in demselben eingebettet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, entsprechend der Darstellung in der rechten Seite der Abb. 1 und 2 das Regelglied so weit nach innen in den Kolben hineinzuverlegen, daß gegebenenfalls nur ein in axialer Richtung sich erstreckender Teil f bzw. g der, Ringpartie auf der Innenseite des Regelgliedes c verbleibt.As Fig. 1 shows in the left part, the control member c is arranged in the piston skirt that it is completely embedded in the same. However, there is also the possibility, as shown in the right-hand side of Figs. 1 and 2, to move the control member so far inwardly into the piston that, if necessary, only a part f or g of the ring belt on the which extends in the axial direction Inside of the control element c remains.

Um die Regelwirkung zu ändern, genügt es, wenn das Regelglied c mit einem Steg h versehen wird, wie dies der linken Hälfte der Abb. 2 entnommen werden kann. Das Widerstandsmoment des Streifens wird nämlich durch eine solche Ausbildung vergrößert, so daß sich entsprechend die angestrebte Regelwirkung ändert.In order to change the control effect, it is sufficient if the control element c is provided with a web h , as can be seen in the left half of Fig. 2. The moment of resistance of the strip is namely increased by such a design, so that the desired control effect changes accordingly.

Das Regelglied kann ferner auch kegelförmig so gestaltet sein, wie es im rechten Teil der Abb. 2 angegeben ist. In vertikaler Richtung weist es, von der Ringpartie aus betrachtet, nach dem offenen Ende des Schaftes hin unterschiedliche Stärken auf, so daß es im Querschnitt als Keil erscheint.The regulating element can also be designed in a conical shape, as indicated in the right-hand part of FIG is. In the vertical direction, viewed from the ring belt, it points to the open end of the Shank to different strengths, so that it appears as a wedge in cross section.

Die Zahl der Regelglieder kann verschieden groß gewählt werden. Dabei ist daran gedacht, mehrere kleinere einzelne Regelglieder entsprechend der Ausführung im linken Teil der Abb. 3 übereinander anzuordnen und ihre Längsabmessungen verschieden groß zu wählen. In der Umfangslänge können diese Teile ebenfalls unterschiedlich ausgeführt werden.The number of control elements can be selected to be different. We think about several to arrange smaller individual control elements one above the other according to the design in the left part of Fig. 3 and to choose their longitudinal dimensions of different sizes. In the circumferential length these can Parts are also carried out differently.

Es besteht ferner die Möglichkeit, das Regelglied sich in axialer Richtung des Kolbenschaftes verjüngen zu lassen (Abb. 5).There is also the possibility of the control member tapering in the axial direction of the piston shaft to leave (Fig. 5).

Die Regelglieder c nach Abb. 4 liegen innerhalb des Kolbenwerkstoffes, und zwar des Schaftes b. Beim Schrumpfen des Kolbenwerkstoffes setzen die Regelglieder c auf ihrer nach außen gekrümmten Seite hin dem Schrumpfbestreben des Kolbenwerkstoffes einen Widerstand entgegen, so daß auf der, Innenseite der gekrümmten Regelglieder der Kolbenwerkstoff normal schrumpft und somit ein Spalt i entsteht, während der Kolbenwerkstoff auf der Außenseite der Krümmung ohne Zwischenraum dicht auf die Oberfläche der Regelglieder c zu liegen kommt. Während des Betriebes, also beim Erwärmen und Ausdehnen des Kolbens, wächst der Schaft in radialer Richtung. Die rechte Seite der Abb. 4 zeigt den Betriebszustand; die linke Seite läßt den Ruhezustand erkennen. Während des Betriebes verschwindet der Spalt i mehr oder weniger je nach der thermischen Beanspruchung des Kolbens. Der in der Abb. 4 erkennbare strichpunktierte Linienzug k zeigt gegenüber der ausgezogenen Kolbenumfangslinie in stark übertriebenem Maßstab, wie die Regelglieder c arbeiten.The control elements c according to Fig. 4 lie within the piston material, namely the shaft b. When the piston material shrinks, the control elements c on their outwardly curved side oppose the shrinkage tendency of the piston material, so that the piston material shrinks normally on the inside of the curved control elements and thus a gap i is created, while the piston material on the outside of the Curvature comes to lie close to the surface of the control elements c without a gap. During operation, i.e. when the piston is heated and expanded, the shaft grows in the radial direction. The right side of Fig. 4 shows the operating state; the left side shows the idle state. During operation, the gap i disappears more or less depending on the thermal stress on the piston. The dash-dotted line k , which can be seen in Fig. 4, shows in a greatly exaggerated scale how the control elements c work compared to the solid piston circumference line.

Die Enden der Regelglieder c sind im Kolbenwerkstoff festgehalten und vorteilhaft nach innen bei η und m abgebogen. Die Formgebung und Abmessung der Regelglieder wird in der Praxis in der Regel so gewählt, wie es der Darstellung nach Abb. 4 entnommen werden kann.The ends of the control elements c are held in the piston material and are advantageously bent inwards at η and m. In practice, the shape and dimensions of the control elements are generally selected as shown in the illustration in Fig. 4.

Die Bogenlänge der Regelglieder kann verschieden groß ausgeführt sein, je nach dem Grad der, erwünschten Regelwirkung. Weiterhin können die Regelglieder in den Schaft b so eingegossen sein, daß sie mehr oder weniger weit vom äußeren Umfang des Schaftes entfernt zu liegen kommen. Auf diese Weise gelingt es, die auftretenden Spannungen und damit die Regelwirkung je nach Bedarf einzustellen. Die Abb. 6 und 7 lassen einen Extremfall erkennen, bei dem auf der, rechten Seite das Regelglied c die Schaftwand selbst bildet und als tragendes Element des Kolbens im Zylinder wirksam wird.The arc length of the control elements can be made different sizes, depending on the degree of the desired control effect. Furthermore, the control elements can be cast into the shaft b in such a way that they come to lie more or less far from the outer circumference of the shaft. In this way it is possible to adjust the voltages and thus the control effect as required. Figs. 6 and 7 show an extreme case in which, on the right-hand side, the control element c forms the skirt wall itself and acts as a supporting element of the piston in the cylinder.

Die Regelglieder c können ferner eine oder mehrere Durchbrechungen aufweisen. Hierdurch wird die Regelwirkung an diesen Stellen stark geschwächt bzw. aufgehoben. Eine derartige Ausführung ist im Grundriß der linken Seite der Abb. 6 ersichtlich. Hier ist ein Loch 0 angedeutet.The control elements c can also have one or more openings. As a result, the control effect is greatly weakened or canceled at these points. Such an embodiment can be seen in the plan on the left-hand side of FIG. A hole 0 is indicated here.

Es ist nicht unbedingt erforderlich, auf beiden Seiten des Kolbenschaftes Regelglieder vorzusehen. Wenn nur eine kleine Regelwirkung erzielt werden soll, kann ein einziges Regelglied ausreichen. Das letztere wird dann vorzugsweise auf der weniger belasteten Seite des Kolbenschaftes vorgesehen.It is not absolutely necessary to provide control elements on both sides of the piston skirt. If only a small control effect is to be achieved, a single control element can be sufficient. That the latter is then preferably provided on the less loaded side of the piston skirt.

Ein Kolben, der mit einem besonders kleinen Laufspiel in den Ringteil eingebaut werden muß, beispielsweise ein Kolben in schlitzgespülten Zweitaktmotoren, kann ein Regelglied c erhalten, das bis in den Ringteil des Kolbens sich erstreckt, wie dies in der Abb. 3 angedeutet ist. Einzelne Ringstege können hierdurch in ihrer Ausdehnung durch das Regelglied so beeinflußt werden, daß sie mit einem kleineren Laufspiel arbeiten.A piston that has to be installed in the ring part with a particularly small running clearance, for example a piston in slot-flushed two-stroke engines, can have a control element c which extends into the ring part of the piston, as indicated in Fig. 3. Individual ring webs can thereby be influenced in their expansion by the control element so that they work with a smaller running clearance.

Die mit dem erfindungsgemäß angeordneten Regelglied ausgerüsteten Kolben können auch als Schlitzkolben Anwendung finden, die zwischen dem Schaft und dem Ringteil in horizontaler Richtung liegen. Dabei handelt es sich um sehr niedrig beanspruchte Kolben, wie z. B. um solche für wassergekühlte Otto-Motoren. The pistons equipped with the regulating member arranged according to the invention can also be used as slotted pistons Find application that lie between the shaft and the ring part in the horizontal direction. These are pistons that are subject to very little stress, such as B. to those for water-cooled Otto engines.

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Aluminiumkolben mit im Schaft eingegossenen gekrümmten Regelgliedern, die sich zum Teil oder über die ganze Länge des Schaftes erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß Streifen, Platten (c) bzw. Bänder im Bereich von mindestens einer der Tragflächen angeordnet und mit1. Aluminum pistons with curved control elements cast in the shaft, which extend to the Extending part or over the entire length of the shaft, characterized in that strips, Plates (c) or strips arranged in the area of at least one of the wings and with ι υ/öι υ / ö ihren Enden in der Nähe der Bolzenaugen im Kolbenwerkstoff verankert sind.their ends are anchored in the piston material near the bolt eyes. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelglieder (c) sich in axialer Richtung auch noch bis in den Ringteil (d) erstrecken. 2. Piston according to claim 1, characterized in that the control members (c) also extend in the axial direction into the ring part (d) . In Betracht gezogene Druckschriften:Considered publications: Deutsche Patentanmeldung M 1106Ia/46c1 kanntgemacht am 10. 5. 1951); österreichische Patentschrift Nr. 111519; Zeitschrift »Metall« (1956) Heft 5/6, S. 205.German patent application M 1106Ia / 46c 1 published on May 10, 1951); Austrian Patent No. 111519; "Metall" magazine (1956) issue 5/6, p. 205. Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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