DE1294739B

DE1294739B - Pistons for internal combustion engines

Info

Publication number: DE1294739B
Application number: DE1964H0051268
Authority: DE
Inventors: Hepworth Jack Lyndhorst
Original assignee: Hepworth and Grandage Ltd
Current assignee: Federal Mogul Bradford Ltd
Priority date: 1963-02-01
Filing date: 1964-01-03
Publication date: 1969-05-08
Also published as: GB984320A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere aus Leichtmetall, bei welchem der Kolbenkopf mit den Kolbenbolzenaugen und dem einander gegenüberliegende Gleitflächen aufweisenden Kolbenmantel ein Gußstück bildet, wobei die Gleitflächen kreisfönnig von den Kolbenbolzenaugen ausgehen, und bei welchem Kolben ein Einsatz aus Metall, welches einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als der Kolbenwerkstoff hat, die die Gleitflächen aufweisenden Teile des Kolbenmantels diametral verbindet, wozu die Enden des Einsatzes im Kolbenmantel im Bereich der Gleitflächen eingegossen sind. k Die bekannten Kolben der vorerwähnten Art weisen den Nachteil auf"dai3 sie infolge vorzeitiger Ermüdung des KolbenmantelWerkstoffs um die Kolbenbolzenaugen herum verhältnismäßig schnell versagen. Diese Werkstoffermüdung wird durch die zwangläufige Biegebewegung der Kolbenbolzenaugen auf Grund der Durchbingung des Kolbenbolzens infolge seiner Biegebeanspruchung verursacht. Auch bei Kolben, die unter Ausschaltung des Kolbenmantels zwei nur vom Kolbenkopf herabhängende Kolbenbolzenlager aufweisen, ist eine vorzeitige Ermüdung des Kolbenwerkstoffs zu beobachten, denn die Biegebeanspruchung des Kolbenbolzens ist nur unwesentlich geringer als im vorgenannten Fall.The invention relates to a piston for internal combustion engines, in particular made of light metal, in which the piston head with the piston pin bosses and the piston skirt having opposing sliding surfaces forms a casting, the sliding surfaces extending circularly from the piston pin bosses, and in which piston a metal insert which has a Has a lower coefficient of expansion than the piston material, which diametrically connects the parts of the piston skirt having sliding surfaces, for which purpose the ends of the insert are cast in the piston skirt in the area of the sliding surfaces. k The known pistons of the type mentioned above have the disadvantage of "dai3 it relatively quickly fail due to premature fatigue of the piston skirt material about the piston pin bosses around. This material fatigue caused by the zwangläufige bending movement of the piston pin bosses on the basis of Durchbingung of the piston pin as a result of its bending stress. Even with piston , which have two piston pin bearings only hanging down from the piston head with the piston skirt switched off, premature fatigue of the piston material can be observed, because the bending stress on the piston pin is only insignificantly lower than in the aforementioned case.

Weiterhin hat sich bei den Kolben der herkömmlichen Bauart gezeigt, daß größere Einsätze zur R6gelung der radialen Dehnung der Druck- bzw. Gleitflächen, wobei die Gleitflächen durch einen solchen Einsatz miteinander verbunden sind, nicht verwendet werden können, denn sie würden infolge der großen auf sie einwirkenden Druckspannung ausknicken.Furthermore, it has been shown with the pistons of the conventional design, that larger inserts for regulating the radial expansion of the pressure or sliding surfaces, the sliding surfaces being connected to one another by such an insert, not can be used because they would be a result of the great acting on them Buckle compressive stress.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Kolbens, der bzw. dessen Kolbenmantel in Nähe der Kolbenbolzenaugen nicht durch vorzeitige Werkstoffermüdung zu Bruch geht und bei dem der die diametral gegenüberliegenden Gleitflächen miteinander verbindende Einsatz in seiner Lage festgelegt ist.The object of the invention is to create a piston, the or its piston skirt in the vicinity of the piston pin bosses is not caused by premature Material fatigue breaks and in which the diametrically opposite Sliding surfaces interconnecting insert is set in its position.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß bei dem eingangs erwähnten Kolben neben zwei äußeren Kolbenbolzenaugen in der Längsachse des Kolbens ein mittiges Kolbenbolzenauge an der Unterseite des Kolbenkopfes angegossen ist, in das auch der Einsatz mit eingegossen ist.The solution to the problem is that in the case of the aforementioned Piston next to two outer piston pin bosses in the longitudinal axis of the piston a central one Gudgeon pin boss is cast on the underside of the piston head, into that too the insert is cast in.

Durch diese Lösung wird erreicht, daß die Ermüdung des Kolberunantelwerkstoffs um die Kolbenbolzenaugen herum bzw. die Ermüdung des Kolbenbolzenaugenwerkstoffs im Falle der herabhängenden Bolzenaugen zeitlich beträchtlich hinausgeschoben und ein vorzeitiges Versagen des Kolbens dadurch vermieden wird. Denn durch das mittige Kolbenbolzenauge ist einmal der je Bolzenauge zu übertragende Anteil der Gaskraft geringer, der zum anderen an einem erheblich verkürzten Hebelarm wirkt und somit ein beträchtlich verringertes Biegemoment im Kolbenbolzen hervorruft, wodurch dessen Durchbiegung auf ein Mindestmaß herabgesetzt ist. Der Nachteil, daß das kleine Pleuelende einer Pleuelstange gegabelt ausgeführt sein muß, wird durch die längere Lebensdauer des Kolbens wieder aufgehoben oder sogar noch übertroffen. Weiterhin wird durch die fünffache Lagerung des Kolbenbolzens dieser nunmehr an vier Stellen, anstatt bisher an zwei Stellen, auf Abscherung beansprucht, so daß die Schubspannung auf die Hälfte vermindert ist. Insgesamt ergribt sich also auch eine wesentlich geringere Beanspruchung des Kolbenbolzens, so daß dieser im Durchmesser kleiner gehalten werden kann. Durch das mittige Kolbenbolzenauge ist es nunmehr auch möglich, einen die Druck- bzw. Gleitflächen des Kolbens diametral verbindenden größeren Einsatz zu verwenden, denn dieser wird durch das mittige Auge am Ausknicken gehindert.Through this solution it is achieved that the fatigue of the piston shell material around the piston pin bosses or the fatigue of the piston pin boss material in the case of the hanging bolt eyes considerably postponed and premature failure of the piston is avoided. Because through the central The piston pin eye is the proportion of the gas force to be transmitted per pin eye lower, which on the other hand acts on a considerably shortened lever arm and thus causes a considerably reduced bending moment in the piston pin, thereby reducing its Deflection is reduced to a minimum. The disadvantage that the small end of the connecting rod a connecting rod must be designed to be forked, due to the longer service life of the piston is canceled or even exceeded. Furthermore, through the fivefold storage of the piston pin this now in four places instead so far in two places, stressed on shear, so that the shear stress on half is reduced. Overall, the result is a significantly lower one Stress on the piston pin, so that it is kept smaller in diameter can. Thanks to the central piston pin boss, it is now also possible to use the Pressure or sliding surfaces of the piston diametrically connecting larger use use, because this is prevented from kinking by the central eye.

Die Erfindung wird nachstehend an einem in der Zeichnung dargestellten AusführungsbeispieI näher erläutert, und zwar zeigen F i g. 1 und 2 Längsschnitte durch einen Kolben nach einer ersten Ausführungsform rechtwinklig und parallel zur Kolbenbolzenlagerachse, F i g. 3 einen Querschnitt durch den Kolben nach F i g. 1 längs der Kolbenbolzenlagerachse, F i g. 4 eine Schrägansicht des in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Einsatzes, F i g. 5 eine Schrägansicht eines abgeänderten Einsatzes, F i g. 6 einen Längsschnitt durch einen Kolben nach einer zweiten Ausführungsform rechtwinklig zur Achse der Kolbenbolzenlager, F i g. 7 und 8 Schrägansichten abgeänderter äußerer Enden zweier Einsätze, F i g. 9 einen Längsschnitt durch den Kolben nach einer dritten Ausführungsform. rechtwinklig zur Achse der Kolbenbolzenlager, F i g. 10 einen Querschnitt durch den Kolben nach F i g. 9 längs der Achse der Kolbenbolzenlager, F i g. 11 eine Schrägansicht des einen äußeren Endes eines abgeänderten Einsatzes für einen Kolben nach den F i g. 9 und 10. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown in the drawing, namely FIG. 1 and 2 longitudinal sections through a piston according to a first embodiment at right angles and parallel to the piston pin bearing axis, FIG . 3 shows a cross section through the piston according to FIG. 1 along the piston pin bearing axis, F i g. 4 is an oblique view of the FIG . 1 to 3 shown insert, F i g. 5 is an oblique view of a modified insert, FIG . 6 shows a longitudinal section through a piston according to a second embodiment at right angles to the axis of the piston pin bearing, FIG. 7 and 8 are perspective views of modified outer ends of two inserts, FIG. 9 shows a longitudinal section through the piston according to a third embodiment. perpendicular to the axis of the piston pin bearing, F i g. 10 shows a cross section through the piston according to FIG. 9 along the axis of the piston pin bearing, F i g. 11 is an oblique view of one outer end of a modified insert for a piston according to FIGS. 9 and 10.

Entsprechend F i g. 1 bis 3 besteht der erfindungsgemäße Kolben für Brennkraftmaschinen, der aus einer Leichtmetalllegierung gegossen ist, aus einem Kolbenmantel 1, der am oberen Ende durch einen Kolbenkopf 2 mit einem mittigen, an der Unterseite des Kolbenkopfes 2 angegossenen Kolbenbolzenauge 3 geschlossen ist. Dieses mittige Kolbenbolzenauge 3 ist zur Aufnahme des Kolbenbolzens mit einer Bohrung 4 versehen. An den nicht dargestellten Kolbenbolzen greift ein gabelförmiges Ende einer nicht dargestellten Pleuelstange gelenkig an. Ein Paar äußerer Kolbenbolzenaugen 5 ist an den Kolbenmantel 1 angegossen, wobei die Kolbenbolzenaugen 5 mit Bohrungen 6 versehen sind und die äußeren Enden des Kolbenbolzens aufnehmen, so daß insgesamt die auf den Kolbenbolzen wirkenden Biege- und Scherspannungen herabgesetzt sind. Eine Ringnut 6 a ist in Nähe des äußeren Endes jeder Bohrung 6 vorgesehen, um einen nicht dargestellten Sprengring aufzunehmen, der die axiale Lage des Kolbenbolzens festlegt.According to FIG. 1 to 3 , the piston according to the invention for internal combustion engines, which is cast from a light metal alloy, consists of a piston skirt 1 which is closed at the upper end by a piston head 2 with a central piston pin boss 3 cast on the underside of the piston head 2. This central piston pin boss 3 is provided with a bore 4 for receiving the piston pin. A fork-shaped end of a connecting rod, not shown, engages in an articulated manner on the piston pin, not shown. A pair of outer piston pin bosses 5 is cast onto the piston skirt 1 , the piston pin bosses 5 being provided with bores 6 and receiving the outer ends of the piston pin, so that overall the bending and shear stresses acting on the piston pin are reduced. An annular groove 6 a is provided in the vicinity of the outer end of each bore 6 to receive a snap ring, not shown, which determines the axial position of the piston pin.

Der Kolben ist mit einem Einsatz 7 der aus F i g. 4 ersichtlichen Form versehen, der gestanzt oder in anderer Weise hergestellt ist und aus Metall besteht welches einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als die Legierung hat, aus der der Kolben gegossen ist. Der Einsatz 7, der diametral in einer Längsebene rechtwinklig zur Kolbenbolzenachse angeordnet ist, ist mit seinem Mittelteil in das mittige Kolbenbolzenauge 3 eingebettet und mit seinen äußeren Enden in diejenigen Abschnitte des Kolbenmantels 1, die die sich diametral gegenüberliegenden Gleitflächen 1 a bilden, eingegossen, so daß eine unmittelbare Verbindung zwischen diesen Gleitflächen besteht. Die äußeren Enden des Einsatzes 7 sind mit entgegengesetzten und sich in Umfangsrichtung erstreckenden Flanschen 7 a versehen, um eine sichere Verankerung im Kolbenmantel 1 zu erreichen, wobei dieser im Bereich der Flansche 7 a durch axial verlaufende Rip- pen 1 b verstärkt ist.The piston is provided with an insert 7 from FIG. 4 provided shape, which is stamped or made in some other way and consists of metal which has a lower coefficient of expansion than the alloy from which the piston is cast. The insert 7, which is arranged diametrically in a longitudinal plane at right angles to the piston pin axis, is embedded with its central part in the central piston pin boss 3 and cast with its outer ends in those sections of the piston skirt 1 which form the diametrically opposite sliding surfaces 1 a, see above that there is a direct connection between these sliding surfaces. The outer ends of the insert 7 are provided with opposite and circumferentially extending flanges 7 a, in order to achieve a secure anchoring in the piston housing 1 wherein it is in the region of the flanges 7 a by axially extending Rip pen 1 b reinforced.

Wie sich aus F i g. 4 ergibt, ist der Einsatz 7 mit einer Durchbrechung 7 b für den Kolbenbolzen, mit Durchbrechungen 7 c und Ausschnitten 7 d versehen. Der Einsatz 7 kann jedoch auch, wie F i g. 5 zeigt, die Form einer vollen Platte aufweisen, d. h. mit Ausnahme der Durchbrechung 7 b für den Kolbenbolzen nicht unterbrochen sein und kontinuierlich durchlaufende Flansche 7 a aufweisen. Die untere Kante 7 c des Einsatzes 7 ist konkav ausgebildet, um im Bereich des mittigen Kolbenbolzenauges 3 Freiheit für die Bewegung der Pleuelstange zu geben.As can be seen from FIG. 4 results, the insert 7 is provided with an opening 7 b for the piston pin, with openings 7 c and cutouts 7 d. The insert 7 can, however, as shown in FIG. 5 shows that are in the form of a solid plate, i.e. H. with the exception of the opening 7 b for the piston pin should not be interrupted and have continuous flanges 7 a. The lower edge 7 c of the insert 7 is concave in order to give freedom for the movement of the connecting rod in the area of the central piston pin eye 3.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 ist die Oberkante des Einsatzes 7 bei 7 f verlängert und sowohl im Kolbenkopf 2 als auch im Kolbenbolzenauge 3 und im Kolbenmantel 1 eingebettet. Entsprechend F i g. 7 und 8 können die Flanschen 7 g, 7 h an den äußeren Enden des Einsatzes 7 auch anders ausgebildet sein.In the embodiment according to FIG. 6 , the upper edge of the insert 7 is extended at 7 f and is embedded in the piston head 2 as well as in the piston pin boss 3 and in the piston skirt 1. According to FIG. 7 and 8 , the flanges 7 g, 7 h at the outer ends of the insert 7 can also be designed differently.

Die Erfindung ist auch auf Schlitzkolben anwendbar, wie die F i g. 9 und 10 zeigen. Hierfür ist der die Kolbenringe tragende Teil 2 a des Kolbenkopfes 2 vom Kolbenmantel 1 im Bereich der Gleitflächen 1 a durch in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 8 getrennt, und eine der Gleitflächen 1 a ist weiterhin mit einem längs verlaufenden Schlitz 9 versehen. Mindestens das Ende des Einsatzes 7, welches in der geschlitzten Gleitfläche eingebettet ist, wie aus F i g. 10 ersichtlich, zu einem gabelförmigen Flansch ausgebildet, wozu einzelne Gabelteile 7 k am Einsatz 7 durch Niete 71 befestigt sind. Die Enden der Gabelteile7k sind in der Gleitflächela beidseitig des Längsschlitzes9 eingebettet. Die Gabelteile7k des Einsatzes 7 können auch durch Prägen der äußeren Enden so hergestellt sein, wie mit 7 m in F i g. 11 angedeutet ist.The invention is also applicable to slotted pistons, such as FIGS. 9 and 10 show. For this purpose, the part 2 a of the piston head 2 carrying the piston rings is separated from the piston skirt 1 in the area of the sliding surfaces 1 a by circumferential slots 8 , and one of the sliding surfaces 1 a is also provided with a longitudinal slot 9 . At least the end of the insert 7, which is embedded in the slotted sliding surface, as shown in FIG. 10 can be seen, formed into a fork-shaped flange, for which purpose individual fork parts 7 k are fastened to the insert 7 by rivets 71. The ends of the fork parts 7k are embedded in the sliding surface on both sides of the longitudinal slot 9. The fork parts 7k of the insert 7 can also be produced by stamping the outer ends, as with 7 m in FIG. 11 is indicated.

Durch Eingießen des Einsatzes 7 in das mittige Kolbenbolzenauge 3 wird das Ausknicken des unter Druckspannung stehenden Einsatzes 7 verhindert.By pouring the insert 7 in the central piston pin boss 3, the buckling of the pressurized tension insert 7 is prevented.

Claims

Patent claim: Pistons for internal combustion engines, in particular made of light metal, in which the piston head forms a casting with the piston pin bosses and the piston skirt having opposite sliding surfaces, the sliding surfaces starting in a circle from the piston pin bosses, and in which the piston has a metal insert with a lower coefficient of expansion than the piston material has connecting the sliding surfaces comprising parts of the skirt diametrically, for which purpose the ends of the insert are embedded in the piston skirt in the area of the sliding surfaces, wherein d a d u rch that in addition two outer piston pin bosses (5) in the longitudinal axis of the piston, a central The piston pin boss (3) is cast on the underside of the piston head (2), in which the insert (7) is also cast.