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Leichtmetallkolben, insbesondere für Dieselmotoren Die Erfindung bezieht
sich auf einen insbesondere für Dieselmotoren bestimmten Leichtmetallkolben, der
einen den Boden und die Ringzone umfassenden Kopf und einen mit der Ringzone über
den ganzen Umfang vollwandig verbundenen Schaft aufweist, in den die Wärmeausdehnung
regelnde, der Kontur des Schaftes entsprechend gekrümmte und auf ihrer äußeren Mantelfläche
völlig vom Kolbenwerkstoff bedeckte Einlagen aus einem Metall eingegossen sind,
dessen Wärmeausdehnungsbeiwert kleiner ist als derjenige des Kolbenwerkstoffes.
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Durch die amerikanische Patentschrift 1750 429 ist eine Bauart eines
derartigen Kolbens bekanntgeworden, bei der zur Regelung der radialen Wärmeausdehnung
des Kolbenschaftes am kopfseitigen und am offenen Schaftende ringförmige Einlagen
aus Stahl eingegossen sind. Die dehnungsregelnde Wirkung solcher Einlagen beruht
darauf, daß die auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegende Leichtmetallschicht des
Kolbenschaftes beim Erkalten nach dem Gießen des Kolbens auf die Einlage aufschrumpft,
wobei sich in ihr Zugspannungen aufbauen, die zu elastischer Dehnung in Umfangsrichtung
führen, während gleichzeitig die Einlage elastisch gestaucht wird. Wird nun der
Kolben im Motor wieder erwärmt, so vermindern sich die Spannungen entsprechend der
Temperaturerhöhung, und entsprechend gehen auch die elastischen Verformungen zurück.
Dieser Vorgang überlagert sich dem natürlichen Wärmeausdehnungsbestreben der betreffenden
Teile mit dem Ergebnis, daß diese sich hinsichtlich ihrer radialen Wärmeausdehnung
so verhalten, wie wenn sie aus einem Werkstoff bestehen würden, dessen Wärmeausdehnungsbeiwert
zwischen demjenigen des Kolbenwerkstoffes und dem des Einlagenwerkstoffes liegt.
Diese günstige Wirkung ist allerdings auf den unmittelbaren Bereich der Einlagen
beschränkt. Außerdem kann sie durch andere Einflüsse, z. B. durch die Wärmeausdehnung
des Kolbenkopfes, gestört werden. Beim Kolben nach der erwähnten amerikanischen
Patentschrift 1750 429 sind solche Einflüsse für das kopfseitige Schaftende durch
eine besondere Anordnung des dort eingegossenen Einlagenringes vermieden. Die kopfseitig
eingegossene Einlage ist auf drei Seiten in den Schaftwerkstoff eingebettet. Ihre
obere Stirnfläche liegt jedoch frei und bildet einen Teil der Unterflanke der untersten
Ringnut der Ringzone. Dadurch, sowie durch den Schwindspalt zwischen der inneren
Mantelfläche der Einlage und dem inneren Schaftteil, ist eine Trennung der auf der
äußeren Mantelfläche des Einlagenringes aufliegenden Leichtmetallschicht vom Kolbenkopf
erreicht, und infolgedessen bleibt die Dehnungsregelung dieses Schaftteiles von
der Wärmeausdehnung des Kolbenkopfes unbeeinflußt und ist ebenso wirksam, als wenn
der Schaft vom Kolbenkopf durch Querschlitze getrennt wäre. Die Einlage am offenen
Schaftende hat jedoch eine weniger gute Wirkung, weil die auf ihr aufliegende Leichtmetallschicht
über die oberhalb von ihr liegenden Schaftteile mit der Ringzone des Kolbenkopfes
verbunden ist. Auf die zwischen den beiden verhältnismäßig niedrigen Einlageringen
liegenden Schaftteile wirkt sich die Dehnungsregelung überhaupt nicht aus, weshalb
diese mit Längsschlitzen versehen werden müssen, um dadurch eine genügende Nachgiebigkeit
zu erreichen.
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Um eine gleichmäßigere Regelwirkung zu erzielen, sind bis in die jüngste
Zeit hinein zahlreiche Abwandlungen der beschriebenen Kolbenbauart geschaffen worden,
die aber alle das Bedürfnis nicht befriedigen konnten, die dehnungsregelnde Wirkung
der verwendeten Einlagen auf das offene Schaftende auszudehnen.
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Bei einer bekannten Kolbenbauart, die eine in den Schaft eingebettete
in sich geschlossene hülsenförmige Einlage von größerer axialer Höhe aufweist, welche
sich von der Unterflanke der untersten Ringnut der Ringzone bis in die Nähe des
offenen Schaftendes erstreckt, unterliegt zwar ein im Vergleich zu der oben erwähnten
amerikanischen Bauart größerer Teil des Kolbenschaftes der beschriebenen dehnungsregelnden
Wirkung. Die radiale Wärmeausdehnung des offenen Schaftendes bleibt aber ungeregelt.
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Hier könnte zwar durch Verlängerung der Einlagenhülse bis zum unteren
Rand des offenen Schaftendes Abhilfe geschaffen werden, jedoch verbietet
sich
das deshalb, weil eine von der Unterflanke der untersten Ringnut bis zum offenen
Schaftende sich erstreckende, in sich geschlossene, hülsenförmige Einlage und die
auf ihr aufliegende Leichtmetallschicht vom übrigen Kolbenkörper durch den Schwindspalt
völlig getrennt wären, der sich beim Erstarren nach dem Gießen des Kolbens zwischen
der inneren Mantelfläche der Einlage und den mit dem Kolbenkopf zusammenhängenden
inneren Schaftteilen bildet. Die Einlage und die auf ihr aufliegende Leichtmetallschicht
hätten daher keinen Halt. Um das zu vermeiden, kann man nach einer anderen bekannten
Bauart hülsenförmige Einlagen verwenden, die im Bereich der tragenden Schaftteile
durch Längsschlitze unterbrochen sind. In diesem Falle hängt die äußere Leichtmetallschicht
im Bereich dieser Schlitze mit dem inneren Schaftteil zusammen, der seinerseits
mit dem Kolbenkopf einstöckig verbunden ist. Dabei muß man aber eine wesentliche
Verschlechterung der dehnungsregelnden Wirkung in Kauf nehmen, weil dann die im
Bereich der Schlitze der Einlage liegende äußere Leichtmetallschicht des Kolbenmantels
über den innerhalb der Einlage liegenden Schaftteil doch wieder mit dem Kolbenkopf
verbunden ist und durch dessen starke Wärmeausdehnung beeinflußt wird.
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Ferner ist auch ein Kolben der eingangs erwähnten Art bekannt, in
dessen Schaft hülsensegmentförmige Einlagenpaare eingegossen sind, die sich in Umfangsrichtung
lediglich über den Bereich der Tragflächen erstrecken und mit ihren Enden in der
Nähe der Bolzennaben verankert sind. Solche Einlagen können sich bis in den Bereich
des offenen Schaftendes erstrecken, und es können auch zwei oder mehr derartige
Einlagenpaare in verschiedenen Höhenlagen getrennt voneinander in den Schaft eingegossen
sein, und zwar auch so, daß ihre inneren Mantelflächen nicht vom Kolbenwerkstoff
bedeckt sind. Von dieser Bauart wurde fälschlicherweise angenommen, daß sie wie
die vorbeschriebenen Bauarten wirke und von der sogenannten Bimetallwirkung keinen
Gebrauch mache. Tatsächlich bilden aber hülsensegmentförmige Einlagen zusammen mit
der auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegenden Leichtmetallschicht bimetallische
Regelglieder, die bei Erwärmung die Tendenz haben, ihre Krümmung zu ändern. Bei
der gewählten Anordnung führt das zu einer Ovalverformung des Schaftes in dem Sinne,
daß die größte radiale Wärmeausdehnung in der Richtung senkrecht zur Kolbenbolzenachse
erfolgt. Im Bereich des oberen Schaftendes, wo die dort eingegossenen Einlagenpaare
lediglich die auf ihnen aufliegende Leichtmetallschicht des Kolbenschaftes, nicht
aber die im Bereich der Bolzennaben liegenden Schaftteile vom Kolbenkopf trennen,
wird dieser unerwünschte Effekt zwar dadurch kompensiert, daß die radiale Wärmeausdehnung
des Kolbenschaftes über die Nabenabstützungen ebenfalls auf den Kolbenschaft einwirkt,
und zwar im Sinne einer Ovalverformung in der umgekehrten Richtung. Im Bereich des
offenen Schaftendes überwiegt jedoch die bimetallische Wirkung der Einlagen, die,
wie schon gesagt wurde, derjenigen Wirkung entgegengesetzt ist, die man sonst durch
die Anordnung dehnungsregelnder Einlagen anstrebt. Eine die radiale Wärmeausdehnung
in erwünschtem Sinne beeinflussende Wirkung tritt also auch hier am offenen Schaftende
nicht ein.
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Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kegelglieder so anzuordnen,
daß eine vom Kolbenkopf weitgehend unbeeinflußte und über die ganze Länge des Kolbenschaftes
wirksame Regelwirkung gewährleistet ist. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch
die Kombination einer an sich bekannten ringförmigen Einlage oder zweier im Bereich
der Tragflächen ununterbrochener ringsegmentförmiger Einlagen, die in das kopfseitige
Schaftende auf drei Seiten vollständig eingebettet sind, mit ihrer oberen Stimfläche
jedoch mindestens im Bereich der tragenden Schaftflächen frei liegen und dadurch
die auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegende Leichtmetallschicht in diesem Bereich
vom Kolbenkopf trennen, mit ebenfalls an sich bekannten hülsensegmentförmigen Einlagen,
die sich mit ihrem äußeren Umfang gegen die Innenseite des Kolbenschaftes anlegen,
jedoch auf ihrem inneren Umfang nicht vom Kolbenwerkstoff bedeckt sind, und in den
Mittelzonen der tragenden Schaftteile einen Raum zwischen sich frei lassen. Dabei
ist die axiale Höhe der im kopfseitigen Schaftende eingebetteten ring- oder ringsegmentförmigen
Einlagen erfindungsgemäß kleiner zu wählen als diejenige der näher beim offenen
Schaftende angeordneten, innen frei liegenden hülsensegmentförmigen Einlagen.
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Hier sind erstmals zwei nach grundverschiedenen Prinzipien wirkende
Regelelemente in einem Kolbenschaft gemeinsam angeordnet und ergeben eine überraschend
gute Gesamtwirkung, die an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert wird.
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Weitere Merkmale des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen
niedergelegt, für die nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch Schutz begehrt wird.
In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Kolbenhälfte mit voneinander
getrennten Einlagen; F i g. 2 stellt in gleicher Darstellungsweise ein Ausführungsbeispiel
mit durch Stege unter sich verbundenen Einlagen dar; F i g. 3 ist ein Schnitt nach
der Linie 111-III der F i g. 1 und F i g. 4 ein solcher nach der Linie IV-IV der
Fig.1.
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Die aus Leichtmetall bestehenden Kolben weisen einen Boden
10, eine Ringzone mit den Ringnuten 21,
22, 23 und 24, Bolzennaben
30 und einen Schaft 40 auf. In letzteren ist beim Beispiel nach den F i g. 1, 3
und 4 am kopfseitigen Ende eine axial niedrige ringförmige Einlage 50, die z. B.
aus Stahlblech bestehen kann, so eingegossen, daß ihre äußere Mantelfläche von einer
einen Teil des Schaftes bildenden Leichtmetallschicht 41 völlig bedeckt ist. Das
kopfseitige Ende der Ringeinlage ist leicht abgebogen und endet in einer Anfasung
unterhalb der Ringnut 24, so daß die obere Stirnfläche der Einlage hier frei liegt.
Dadurch ist die Leichtmetallschicht 41 vom Kolbenkopf abgetrennt und kann durch
dessen Wärmeausdehnung nicht beeinflußt werden. Sie schrumpft bei der Herstellung
des Kolbens durch Gießen auf die Einlage auf, wobei sich in ihr eine Zugspannung
aufbaut, die zu einer elastischen Dehnung in Umfangsrichtung führt. Solange sich
beim Wiedererwärmen, z. B. auf Betriebstemperatur, die Zugspannung und damit die
elastische Dehnung wieder abbaut, ist die radiale Wärmeausdehnung der Schicht
41 nur wenig größer als diejenige des Einlagenwerkstoffes, und es ist dadurch
eine einwandfreie, vom Kolbenkopf unbeeinflußte Wärmeausdehnungsregelung erreicht,
obwohl der Schaft 40 über seine radial innerhalb der Einlage
50
liegenden Wandteile mit dem Kopf einstöckig zusammenhängt.
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Unterhalb der ringförmigen Einlage 50, und zwar in einem Abstand,
der etwa gleich ihrer halben Höhe ist, sind hülsensegmentförmige Einlagen 51 eingegossen,
die in den Naben 30 und Längsrippen 42 verankert sind und auf ihrer Innenseite frei
liegen. Diese Einlagen bilden zusammen mit den auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegenden
Teilen 43 des Kolbenschaftes bimetallische Verbundglieder, die sich bei Erwärmung
krümmen und dadurch die radiale Wärmeausdehnung des Schaftes bevorzugt in Richtung
der Kolbenbolzenachse wirksam werden lassen und sie im Bereich der Schafttragflächen
in bekannter Weise entsprechend vermindern. Diese Wirkung ist nicht auf die unmittelbar
auf den Einlagen 51 aufliegende Leichtmetallschicht 43 beschränkt. Sie greift vielmehr
auch auf das offene Schaftende und sogar auf den Bereich über, in den die Einlage
50 eingegossen ist, zumal dort die radiale Wärmeausdehnung der Bolzennaben
30 eine Schaftverformung im gleichen Sinne begünstigt. Dadurch läßt es sich auch
erklären, daß sich die Wirkungen der Einlagen 50 und 51 ergänzen und stufenlos so
überlagern, daß eine zufriedenstellende Regelung der Wärmeausdehnung über die ganze
Schaftlänge erzielt wird. Außerdem ergibt sich gegenüber Kolben, bei denen sich
über den größten Teil der Schaftlänge erstreckende Hülseneinlagen Verwendung finden,
der Vorteil, daß der Wärmefluß nicht nur vom Kopf zum Schaft, sondern auch von diesem
zur Zylinderbohrung praktisch unbehindert ist, so daß der Schaft kühler bleibt.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 unterscheidet sich von dem vorstehend
beschriebenen dadurch. daß im kopfseitigen Schaftende an Stelle einer Einlage 50
mit geschlossenem Ringquerschnitt zwei Einlagen 52 von ringsegmentförmigem Querschnitt
mit in den Bolzennaben 30 verankerten Enden angeordnet sind, die sich in Umfangsrichtung
lediglich über den Bereich der Tragflächen erstrecken, und daß vier ebenfalls im
Bereich der Naben 30 endende Hülsensegmente 53 mit ihnen durch Stege 54 verbunden
sind. Außerdem ragen die oberen Stirnflächen der Einlagen 52 nicht in Anfasungen,
sondern in die Unterflanke der Ringnut 24 hinein. Diese konstruktiven Änderungen
beeinträchtigen die Wirkungsweise der Einlagen nicht, oder jedenfalls nicht wesentlich.
Sie erleichtern jedoch das Einbringen der nunmehr miteinander verbundenen Einlagenteile
in die zur Herstellung des Kolbens benutzte Gießform.