DE1129019B

DE1129019B - Light metal pistons for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1129019B
Application number: DEC22077A
Authority: DE
Inventors: Roland Claude Cross
Original assignee: Cross Manufacturing Co 1938 Ltd
Current assignee: Cross Manufacturing Co 1938 Ltd
Priority date: 1959-12-21
Filing date: 1960-08-04
Publication date: 1962-05-03

Description

Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen.Light alloy pistons for internal combustion engines The invention relates on light metal pistons for internal combustion engines.

Es ist bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylindern die gleichfalls aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben mit Kolbenringen aus nitriertem Stahl oder anderem ähnlich hartem Metall zu versehen, deren radiale Dicke größer ist als die Tiefe der sie aufnehmenden Ringnuten des Kolbens, so daß die Kolbenringe stets etwas über die Außenfläche der Kolben hervorstehen und dadurch allein die Lager-Flächen der Kolben bilden.It is known in an internal combustion engine made from an aluminum alloy existing cylinders, the pistons also made of an aluminum alloy to be provided with piston rings made of nitrided steel or other similarly hard metal, whose radial thickness is greater than the depth of the annular grooves receiving them Piston, so that the piston rings always protrude slightly over the outer surface of the piston and thereby alone form the bearing surfaces of the pistons.

Zweck dieser älteren Bauart ist es, bei aus Leichtmetall oder Aluminiumlegierungen bestehenden Zylindern, in denen Kolben aus Leichtmetall, z. B. Aluminiumlegierungen, nicht gut laufen, Zylindereinsatzbüchsen aus Stahl entbehrlich zu machen. Indessen lassen sich solche aus der Kolbenfläche hervorstehenden Kolbenringe auch dann mit Vorteil anwenden, wenn die .Zylinder aus anderen Metallen bestehen, weil die Vorteile größerer Lebensdauer der Zylinder und besseren Wirkungsgrades dadurch, daß die Gleitflächen der Kolben durch Stahl- oder andere Schwermetallringe gebildet sind, auch dann vorliegen, wenn die Zylinder z. B. aus Gußeisen bestehen.The purpose of this older design is when it is made of light metal or aluminum alloys existing cylinders in which pistons made of light metal, e.g. B. aluminum alloys, not doing well, making steel cylinder liners dispensable. In the meantime such piston rings protruding from the piston surface can then also be included Apply advantage if the cylinders are made of other metals, because the advantages longer service life of the cylinder and better efficiency due to the fact that the sliding surfaces the pistons are formed by steel or other heavy metal rings, are also present, when the cylinder z. B. consist of cast iron.

Diese stets über die Mantelfläche des Kolbens hervorstehenden Kolbenringe werden »tragende« Ringe genannt. Sie sind geschlitzt, bestehen aus hartem Metall, z. B. aus Stahl oder Eisen, und haben eine radiale Dicke, die größer ist als die Tiefe der sie .aufnehmenden Kolbennuten, so daß sie die seitlichen Drücke der Kolben aufnehmen und verhindern, daß die Kolben mit ihrer Mantelfläche unmittelbar auf der Zylinderfläche gleiten. Sie unterscheiden sich daher grundsätzlich von den üblichen Öl- und Gasdichtungsringen, bei denen es sich zwar gleichfalls um geschlitzte Ringe aus hartem Metall handelt, deren radiale Dicke aber geringer als die Tiefe der sie aufnehmenden Kolbennuten ist, so daß sie vollständig in die Ringnuten eingedrückt werden können, ohne deren Grund zu berühren.These piston rings always protrude beyond the surface of the piston are called "supporting" rings. They are slotted, made of hard metal, z. B. made of steel or iron, and have a radial thickness that is greater than that Depth of them .aufnahmenden piston grooves, so that they the lateral pressures of the piston record and prevent the piston with its outer surface directly on slide the cylinder surface. They therefore differ fundamentally from the usual ones Oil and gas sealing rings, which are also slotted rings Made of hard metal, but whose radial thickness is less than the depth of it receiving piston grooves so that they are completely pressed into the annular grooves without touching their bottom.

Die auf diese verhältnismäßig schweren tragenden Ringe wirkenden Trägheitskräfte sind bei den Maschinen mit hoher Drehzahl sehr groß. Deshalb ist . es vorteilhaft, die Masse der tragenden Ringe so klein wie möglich zu halten, ohne ihre tragende Fläche zu vermindern. Hieraus ergibt sich die Verwendung von dünnen, in axialer Richtung langen, also hülsenartigen Ringen, deren axiale Länge mindestens ; dem Dreifachen ihrer radialen Stärke entspricht. Diese hülsenartigen Kolbenringe haben auch den Vorteil einer Verbesserung des Wärmeflusses vom Kolben auf den Zylinder.The inertial forces acting on these relatively heavy load-bearing rings are very large on high-speed machines. Therefore . it is advantageous to keep the mass of the load-bearing rings as small as possible without losing their load-bearing capacity Reduce area. This results in the use of thin, in axial Direction of long, so sleeve-like rings, the axial length of which is at least; to the Corresponds to three times its radial strength. These sleeve-like piston rings have also the advantage of an improvement in the heat flow from the piston to the cylinder.

Ein Nachteil solcher dünnen Ringe besteht aber darin, daß die oberen und unteren Wände der für sie in dem aus Leichtmetall bestehenden Kolben vorzusehenden flachen Kolbennuten so schmal sind, daß sie durch die im Betrieb ständig auftretenden Schläge, die der Ring auf sie ausübt, leicht beschädigt werden können. Diese Schläge beruhen auf den auf den Kolbenring wirkenden Trägheitskräften und Schubkräften.A disadvantage of such thin rings is that the upper and lower walls to be provided for them in the piston made of light metal flat piston grooves are so narrow that they are constantly occurring during operation Any blows that the ring applies to them can be easily damaged. These blows are based on the inertial forces and thrust forces acting on the piston ring.

Die Erfindung ermöglicht die Verwendung solch dünner tragender Ringe ohne die Gefahr einer Beschädigung der Nutwände und ergibt gleichzeitig eine günstige Kombination von tragenden und dichtenden Ringen. Dies wird erfmdungsgemäß dadurch erreicht, daß jedem tragenden Ring an seinem oberen und an seinem unteren Rand je unmittelbar ein Dichtungsring benachbart ist, der in axialer Richtung wesentlich schmaler und in radikaler Richtung wesentlich dicker als der tragende Ring und in einer Nut von größerer Tiefe als diese radiale Dicke angeordnet ist. Diese Dichtungsringe sind, wie auch der tragende Ring, geschlitzt, und ihre radiale Dicke ist erheblich größer als ihre axiale Breite. Sie wirken daher als Öl- und Gasdichtungsringe.The invention enables the use of such thin load-bearing rings without the risk of damaging the groove walls and at the same time results in a favorable one Combination of load-bearing and sealing rings. According to the invention, this is thereby achieved achieved that each load-bearing ring at its upper and lower edge each a sealing ring is immediately adjacent, which is essential in the axial direction narrower and in a radical direction much thicker than the supporting ring and in a groove of greater depth than this radial thickness is arranged. These sealing rings are, like the supporting ring, slotted and their radial thickness is considerable larger than its axial width. They therefore act as oil and gas sealing rings.

Durch diese Anordnung eines tragenden Ringes unmittelbar zwischen zwei Dichtungsringen ergibt sich, daß die schmalen Ringflächen des tragenden Ringes nicht gegen Flächen des Leichtmetallkolbens, sonders - in an sich bekannter Weise - gegen die Seitenflächen der aus hartem Metall bestehenden Dichtungs. ringe schlagen. Da diese Dichtungsringe aber eine wesentlich größere radiale Dicke haben, so verteilen sich die von dem tragenden Ring auf die Dichtungsringe ausgeübten Schläge auf eine wesentlich größere Fläche,. so daß eine Beschädigung des Kolbens nicht eintreten kann.This arrangement of a supporting ring directly between two sealing rings it results that the narrow annular surfaces of the supporting ring not against surfaces of the light metal piston, special - in a known manner - against the side surfaces of the hard metal gasket. beat rings. There but these sealing rings have a much greater radial thickness, so distribute them the impacts exerted by the supporting ring on the sealing rings on a much larger area. so that damage to the piston does not occur can.

Die Erfindung ermöglicht die Verwendung besonders dünner Ringe, d. h. von Ringen, bei deren Querschnitt die Länge mindestens das Zehnfache der Schmalseiten ist. So kann bei einem Kolben von 86 mm Durchmesser die radiale Tiefe der Ringnut für den tragenden Ring 0,8 mm oder noch weniger und die radiale Dicke des Ringes um etwa 0,1 bis 0,2 mm größer als diese Tiefe sein. Die axiale Breite des Ringes liegt dabei in der Größenordnung von 12 bis 15 mm.The invention enables the use of particularly thin rings, i. H. of rings whose cross-section is at least ten times the length of the narrow sides is. For example, with a piston with a diameter of 86 mm, the radial depth of the ring groove for the supporting ring 0.8 mm or less and the radial thickness of the ring be about 0.1 to 0.2 mm greater than this depth. The axial width of the ring is in the order of 12 to 15 mm.

In der Zeichnung ist ein Kolben gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kolben und den Zylinder, Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 6, der die obere rechte Ecke des Kolbens zeigt, in größerem Maßstab; Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Teils dreier benachbarter Kolbenringe und Fig.4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts entsprechend Fig. 1 durch einen etwas abgewandelten Kolben.In the drawing a piston according to the invention is for example shown, namely Fig. 1 shows a longitudinal section through the piston and the cylinder, Fig. 2 shows a detail from Fig. 6, which shows the upper right corner of the piston, on a larger scale; 3 is a perspective view of part of three adjacent ones Piston rings and FIG. 4 shows a detail of a longitudinal section corresponding to FIG. 1 a slightly modified piston.

Der in dem Zylinder 12 angeordnete Kolben 1 ist mit zwei Kolbenringkombinationen versehen, die allgemein mit 2 bezeichnet sind und von denen eine in der Nähe des oberen und eine in der Nähe des unteren Kolbenendes vorgesehen ist. Jede Kolbenringkombination weist einen breiten, aber dünnen tragenden Ring 3 aus Federstahl oder Werkzeugstahl auf, der bei 4 geschlitzt ist (Fig. 3) und der ohne Beeinträchtigung seiner Härte- und Federungseigenschaften sehr hohe Temperaturen, wie sie in Brennkraftmaschinen auftreten (z. B. 300 bis 400e C), verträgt. Die radiale Dicke dieses dünnen Ringes beträgt bei den gängigen Kolbendurchmessern etwa 0,8 bis 1,2 mm, und ihre Breite beträgt etwa 12 bis 15 nun.The piston 1 arranged in the cylinder 12 has two piston ring combinations provided, generally indicated by 2 and of which one near the upper and one near the lower end of the piston is provided. Any combination of piston rings has a wide but thin supporting ring 3 made of spring steel or tool steel on, which is slotted at 4 (Fig. 3) and which without impairing its hardness and suspension properties are very high temperatures, such as those in internal combustion engines occur (e.g. 300 to 400e C). The radial thickness of this thin ring is about 0.8 to 1.2 mm for the common piston diameters, and their width is about 12-15 now.

Dieser tragende Ring ist in einer seiner Breite entsprechenden flachen Ringnut 5 angeordnet (Fig. 2), deren radiale Tiefe geringer als die Dicke des Ringes ist, so daß wie auch der Ring zusammengedrückt sein mag, er stets über die Außenfläche des Kolbens vorsteht und eine Berührung zwischen dem eigentlichen Kolbenkörper und dem Zylinder verhindert. Bei der Darstellung in Fig.2 ist angenommen, daß der Kolben 1 nach rechts gegen die Zylinderfläche 6 gedrückt wird, so daß der tragende Ring 3 fest gegen den Grund der Ringnut 5 anliegt. Auf der anderen, nicht dargestellten Seite des Kolbens dagegen berührt der Kolbenring 3 den Grund der Nut 5 ganz leicht oder weist einen sehr kleinen Abstand von ihm auf.This supporting ring is flat in a width corresponding to its width Annular groove 5 arranged (Fig. 2), the radial depth of which is less than the thickness of the ring so that however the ring may be compressed, it is always over the outer surface of the piston protrudes and a contact between the actual piston body and prevents the cylinder. In the illustration in Fig.2 it is assumed that the piston 1 is pressed to the right against the cylinder surface 6, so that the supporting ring 3 rests firmly against the base of the annular groove 5. On the other, not shown On the other hand, on the side of the piston, the piston ring 3 touches the bottom of the groove 5 very slightly or is very close to it.

An jedem Ende der flachen Ringnut 5 befindet sich eine schmale, aber tiefere Ringnut 7 (Fig. 2). Die in diesen beiden Nuten angeordneten Kolbenringe 8, die bei 11 (Fig.3) ebenfalls geschlitzt sind und deren radiale Dicke geringer als die radiale Tiefe der Nuten ? ist, stellen Gas- und Öldichtungsringe dar. Diese Ringe können also voll in ihre Nuten hineingedrückt werden. Sie flankieren den tragenden Ring 3 beiderseits und legen sich dabei gegen die äußeren Flächen 9 ihrer Ringnuten 7 an. Diese beiden Ringe sind in axialer Richtung verhältnismäßig schmal; während ihre radiale Dicke etwa fünfmal so groß ist wie ihre Breite. Sie können ebenfalls aus vergütetem Stahl bestehen; z. B. aus Kugellagerstahl.At each end of the flat annular groove 5 there is a narrow but deeper annular groove 7 (Fig. 2). The piston rings arranged in these two grooves 8, which are also slotted at 11 (FIG. 3) and their radial thickness is smaller than the radial depth of the grooves? represent gas and oil sealing rings. These Rings can therefore be pushed fully into their grooves. They flank the load-bearing Ring 3 on both sides and lie against the outer surfaces 9 of their ring grooves 7 at. These two rings are relatively narrow in the axial direction; while its radial thickness is about five times its width. You can too consist of tempered steel; z. B. from ball bearing steel.

Bei der am unteren Kolbenende vorgesehenen Kolbenkombination kann einer der beiden Dichtungsringe (oder auch beide) als ölabstreifring ausgebildet sein. Dementsprechend werden auf ihrer jeweiligen Unterseite Bohrungen 10 vorgesehen, wie dies in Fig. 1 an dem unteren Ring 8 der Fall ist.With the piston combination provided at the lower end of the piston, one of the two sealing rings (or both) designed as an oil control ring be. Correspondingly, holes 10 are provided on their respective underside, as is the case in FIG. 1 on the lower ring 8.

Es versteht sich, daß zwischen der am oberen und der am unteren Kolbenende vorgesehenen Kolbenringkombination 2 auch noch weitere tragende und/ oder dichtende Kolbenringkombinationen vorgesehen werden können: Fig. 4 zeigt eine Kolbenringkombination mit zwei tragenden Ringen 3, zwischen denen ein Dichtungsring 8 a vorgesehen ist und die oben und unten je von einem weiteren Dichtungsring 8 flankiert sind.It goes without saying that between the one at the top and the one at the bottom of the piston provided piston ring combination 2 also further load-bearing and / or sealing Piston ring combinations can be provided: Fig. 4 shows a piston ring combination with two supporting rings 3, between which a sealing ring 8 a is provided and which are each flanked by a further sealing ring 8 at the top and bottom.

Die Erfindung gilt nicht für den Fall, daß der tragende Ring nur an einem einzigen der beiderseitigen Enden (oberhalb oder unterhalb) von einem Dichtungsring flankiert wäre, wie dies ähnlich bereits bekannt ist. Hierdurch ist die auf die Vermeidung der Beschädigung der axialen Nutenwände gerichtete Aufgabe der Erfindung nicht völlig gelöst.The invention does not apply in the event that the load-bearing ring is only on a single one of the two ends (above or below) of a sealing ring would be flanked, as is already known. This is the on the Avoiding damage to the axial groove walls directed object of the invention not completely resolved.

' Es ist auch bekannt, einen Tragring an seinen beiderseitigen Enden axial einzuspannen, z. B. mittels eines oberen und unteren Schraubringes. Hier liegt jedoch die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe nicht vor, weil im bekannten Falle der Tragring axial unbeweglich ist. Dergleichen ist es bekannt, den dünnen Tragring am offenen Ende des Kolbens fest zu verschrauben.It is also known to have a support ring on both ends to be clamped axially, e.g. B. by means of an upper and lower screw ring. Here is however, the problem to be solved by the invention does not exist, because in the known case the support ring is axially immobile. Such is known, the thin support ring to be screwed tightly at the open end of the piston.

Es ist auch bekannt, einem dünnen Tragring einstückig mit ihm verbundene, radial nach innen vorspringende, ringartige Vorsprünge zu verleihen. Hierdurch wird zwar die axiale Auflagefläche vergrößert, doch haben diese Ringvorsprünge nicht die Dichtwirkung der vorliegenden Ringe 8, und es ist auch die Herstellungsweise derartiger Tragringe verhältnismäßig unwirtschaftlich.It is also known to have a thin support ring integrally connected to it, to impart radially inwardly projecting, ring-like projections. This will although the axial bearing surface is increased, these ring projections do not have the sealing effect of the present rings 8, and it is also the manufacturing method such support rings relatively uneconomical.

Claims

CLAIMS: 1. Light metal piston with at least one bearing ring small radial thickness and a larger width which is arranged in an annular groove, whose radial depth is less than the thickness of the ring, characterized in that each supporting ring (3) on both sides (ie, about and underneath) a sealing ring (8) is immediately adjacent, which is substantially narrower in the axial direction and substantially thicker in the radial direction than the supporting ring and which is arranged in an annular groove (7) of greater depth than its radial thickness.

2. Light alloy pistons according to claim 1, characterized in that the axial width of the supporting rings (3) at least three times, preferably at least ten times as large as their radial Thickness is.

3. Light metal piston according to claim 1, characterized in that the radial thickness of the supporting rings (3) is very small and preferably about 1 mm amounts to.

4. Light metal piston according to claim 1, characterized in that the O-rings (8) are about as narrow in the axial direction as the bearing rings (3) thick in the radial direction and that they are approximately in the radial direction five times as thick as they are narrow.

5. Light metal piston according to claim 1 with at least two load-bearing rings, each bordered on both sides by transverse sealing rings, characterized in that the one of two sealing rings (8) encompassed the supporting Ring (3) on one, the other between two sealing rings (8) bearing ring (3) is on the other side of the piston pin axis. Into consideration Drawn pamphlets: French patents nos. 719 278, 720 235, 737 093; British Patent Nos. 190,962,343,634; U.S. Patent No. 2,478,179. A priority document was displayed when the registration was announced.