DE1525502A1 - Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen,Kompressoren,Pumpen u.dgl.,dessen Kolbenringnuten durch Stahleinlagen verstaerkt sind - Google Patents

Description

DR. HEINRICH HERMEUNK

8 Mündien-Qbermenztag Apolloweg 9, Telefon 572743

München, den 7- April 1966 A 21 - Dr.

Dr. mg. Mario agOSTINONE, Via Boifava 25. Brescia (Italien)

Leichtmetallkolben JPür Brennkraftmaschinen, Kompressoren, Pumpen und dgl., dessen Kolbenringnuten durch Stahleinlagen

verstärkt sind.

Die Abdichtung des Kolbens von Brennkraftmaschinen, Kompressoren, Pumpen und dgl. gegen die Zylinderwand vird bekanntlich durch Kolbenringe erzielt, die sich einerseits gegen die Zy-1inderwand und andererseits gegen entsprechende Nuten im KoI-ben abstützen. Eine wirksame Abdichtung kann hierbei nur erzielt werden, wenn die Seitenflächen der Kolbenringnuten intakt bleiben, da hiervon auch die richtige Arbeitslage der an der Zylinderwand anliegenden Fläche der Kolbenringe abhängt. Sind die Seitenflächen der Kolbenringnuten einwandfrei, so " bleibt auch bei Abnutzung der Kolbenringe die Abdichtung erhalten, weil die an der ZyIInderyand anliegende Fläche sich ständig erneuert, wie in Fig. 1 gazeigt ist» Hier ist mit a der neue Kolbenring und mit b der in der richtigen Weise abgenutzte Kolbenring bezeichnet.

Auf den Kolbenring wirken verschiedene Kräfte ein, die in Fig. dargestellt sind. Diese sind:

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die Kraft A des Verbrennungsgases;

die von der Reibung des rolbenrings an der Zylinderwand herrührenden Kräfte B und

die von der Massenträgheit des Kolbenrings herrührenden Kräfte C.

Alle diese Kräfte wirken auf die Seitenwände der Kolbenringnut ™ ein und wirken somit zusammen, um sie in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen verschieden abzunutzen.

Bei den modernen Dieselmotoren ist durch die hohen Drucke und Temperaturen eine besonders hohe Beanspruchung der Kolbenringnuten gegeben, veil das Leichtmetall bei höheren Temperaturen eine sehr geringe mechanische Widerstandskraft hat. Das gilt besonders £ür den dem Brennraum am nächsten liegenden Kolbenring. Unter der Einwirkung der verschiedenen Kräfte verlieren die Ringnuten ihren rechteckigen Querschnitt und suchen einen trapezförmigen Querschnitt anzunehmen, vie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist« Dadurchvird die Führung der Kolbenringe verschlechtert, so daß diese sich verkanten und infolgedessen eine abgerundete oberfläche annehmen, vie Fig. 5 zeigt. Dadurch vird die Abdichtungsvirkung verschlechtert, Verbrennungsgas kann eindringen und die Schmierichicht zerstören. Bs tritt eine erhebliche Temperaturerhöhung auf, die zum vetteren verschleiß des Kolbenrings und

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seiner Nut beiträgt. Schließlich können durch den Aufschlag der hin- und herrutschenden Kolbenringe sogar die Zwischenwände zwischen den einseinen Nuten nachgeben und brechen. Diese Effekte sind noch ausgeprägter bei Motoren alt Vorverdichtung.

Es bleibt also Iceine andere Wahl, als die Kolbenringnuten mit Einlagen aus einem Werkstoff mit hoher mechanischer Widerstandsfähigkeit bei den Betriebstemperaturen zu versehen. Hierfür sind i zahlreiche Lösungsvorschlage bekannt, die aber alle zu ernsten Schwierigkeiten geführt haben. Im allgemeinen werden Ringe aus Gußeisen oder Stahl verwendet, die ringsum geschlossen sind und sich deshalb der starken Wärmeausdehnung der Aluminiumlegierungen widersetzen, weshalb sie sich auf die Dauer in ihren Sitzen verschieben. Außerdem ergibt sich bei diesen Lösungen_Aein ver~ schlecht ert er Wärmeübergang.

Man hat daraufhin die Lösung des Problems mit offenen Konstruktionen versucht» die der Wärmeausdehnung des Kolbens keinen Widerstand entgegensetzen, indem in den Kolben Stahlplättchen eingesetzt sind, die vertikal und horizontal ohne gegenseitige Verbindung angeordnet sind und Stützflächen erhöhten Widerstandes gegenüber de:r Aluminiumlegierung für die Kolbenringe darbieten.

Aber auch dieses Vorgehen hat bisher nicht zu befriedigenden ■

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Ergebnissen geführt· veil die so eingesetzten Plättchen die von dem Kolbenring aufgenommene Last auf eine praktisch gleichgroße Fläche der Aluminiumlegierung, auf der sie sich abstützen, übertragen und diese damit in gleicher Weise beanspruchen. So kommt es, daß die Aluminiumfläche« welche diese Last aufnimmt« nicht veniger beansprucht wird« als wenn sie die Last unmittelbar vom Kolbenring empfangen würde, wobei sich das Einlageplätt- ^ chen auch noch verschiebt und dadurch rasch noch weit größere Zerstörungen anrichtet als ohne jede Verstärkungseinlage. Die betreffenden Einlagen haben also die gleiche Wirkung» als ob unter einer Säule, die auf eitlem weichen Untergrund aufsteht, eine Stahlplatte mit den gleichen Abmessungen wie die Säule selbst untergelegt wäre. Sie nehmen eine Last X auf der Fläche Y auf und übertragen die gleicha Last X auf praktisch die gleiche Fläche Y der Aluminiumlegierung, auf der sie aufliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und " die Vorteile der offenen Strukturen, bei denen sich Stahlflächen mit Aluminiumflächen abwechseln, um die Wärmeabführung zu verbessern, trotzdem beizubehalt an.

Hierzu ist der erfindungsgemä3e Leichtmetallkolben mit: eingegossenen Einlageplättchen aus Stahl oder dgl. zur Verstärkung der Kolbenringnuten dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ver~

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stärkungaplättchen einen Fuß besitzt* dessen Breite größer als die Dicke des eigentlichen Verstärkungsplättchens ist» daß ferner Verdickungen des Plättchens dort vorhanden sind, vo das Plättchen von den Kolbenringnuten geschnitten vird, wobei diese verdickungen ebenfalls eine größere Breite als die Dicke des eigentlichen verstärkungsplättchens haben, und daß seitliche Sippen zur weiteren Vergrößerung der Auflagefläche beitragen.

Dank dieser Konstruktion ist die Auflagefläche des Verstärkungsplättchens auf dem Aluminium weit größer als die Berührungsfläche des Kolbenrings mit dem Verstärkungsplättchen. Dadurch tritt ein«·: Druckverteilung ein und die spezifische Druckbelastung der Aluminiumlegierung ist erheblich geringer als bei unmittelbarer Berührung des Kolbenrings mit der Kolbenringnut. Bs läßt sich .leicht erreichen, daß die spezifische Belastung der Leichtmetallegierung geringer als die zulässige Höchstlast ist. Das Verstärkungsplättchen vsrhält sich also in diesem Falle so, vie vexai ein Pfeiler mit einem Sockel versehen ist, der eine wesentlich größere Fläche als der Pfeiler einnimmt und so die Last auf einen weichen Untergrund verteilen kann, ohne dessen Belastungsgrenze zu überschreiten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der zeichnung erläutert. Hierin sind:

Fig* 6 und 7 Vorder» und Rückansicht eines erfindungsgemäßen v>r~ stärkungspiattcher.s in perspektivischer Darstellung,

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Fig. 8 die perspektivische Darstellung einer Verstärkungseinlage nach dem Ausfrasen der lolbenringnuten und

Fig. 9 die teilweise aufgebrochene Ansicht eines mit derartigen Einlagen versehenen Kolbens.

In den erfindungsgemäßen Leichtmetallkolben sind auf dem Umfang verteilt EinlageplSttchen 1 eingegossen, die aus Stahl oder einem sonstigen τ/iderstandsfähigen Werkstoff bestehen. Jede verstärkungseinlage 1 besitzt erfindunsgemäß «inen Fuß 2, dessen Breite L so berechnet ist, daß bei der errarteten Höchstbelastung die Widerstandsfähigkeit des Leichtmetalls an der Stelle, auf welcher sich der Fuß abstützt, nicht überschritten wird. Entsprechend den Zonen, an denen die lolbenrirgnuten 8 angebracht werden sollen, sind Verstärkungen 3 und 4 vorgesehen, deren Breite M größer als die normale Dicke S cer Verstärktngseinlagen ist. Der Zweck dieser Verbreiterungen ist es, eine vorgeschriebene Last aufnehmen zu lcönnsn, ohne daß das ganze Einlac©plättchen dicker gemacht werden muß. Hierdurch kann eine Gewichtseinsparung erzielt werden.

Am hinteren Teil jedes Plättchens 1 sind schließlich Verdickungen 5 gegeneinander versetzt angebracht, die dazu dienen, das Plättchen im Kolben beim Guß zu verankern und exzentrische Belastungen aufzunehmen.

mit,

Die Plättchen 1, die noch/seitlichen VerstSrkungsrippen 6 im Anschluß an die Verdickungen 3 und 4 versehen sind, um die Auflage-

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fläche SU vergrößern, sind radial im topf des Kolbens eingegossen, ohne daß eine Verbindeng svischen ihnen besteht, so daß sie den Ausdehnungen des Kolbens frei folgen können. Nach dem Guß werden die BinlagepiKttchen von den nuten für die ersten Kolbenringe durchschnitten und ergeben so an den Auflageblechen der Kolbenringe Stellen hohen Widerstandes, die auch unter schweren Betriebsbedingungen den Schlagbeanspruchungen nicht nachgeben,

Die so angeordneten Einlagen verteilen die von den Kolbenringen aufgenommene Last auf eine Flache der Aluminiumlegierung, die ausreicht, um die Last zu absorbieren, ohne die Elastizitätsgrenze der Legierung su überschreiten. Diese Lastverteilung wird von dem Fuß 2 und den Rippen 6 besorgt. Wegen der vergrößerten Fläche derselben ist die Drucklast je Flächeneinheit entsprechend geringer. Ferner bleibt die Anlagefläche des Kolbenrings« die abwechselnd aus Leichtmetall und. aus stahl besteht, eben und trotzdem ist die Wärmeabführung in keiner Weise behindert. so vird gewährleistet, daß der Querschnitt der Kolbenringnuten rechteckig bleibt, wie es eingangs gefordert wurde.

Damit werden durch die erfindungsgemäße Konstruktion alle eingangs geschilderten Nachteile und Gefahren eines Nachgebens der Seitenwände der Kolbenringnuten ausgeschaltet.

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Claims (2)

Ansprüche

1. Leichtmetallkolben fttr Brennkraftmaschinen, Kompressoren, Pumpen und dgl·, dessen Kölbenringnuten durch eingegossene Binlagaplättchen aus stahl oder dgl. verstärkt sind, dadurch gekennseichnet, daß jedes BinlageplKttchen (1) einen verbreiterten Fuß (2) besitst, dessen Breite (L) größer als die Dicke (S) des eigentlichen Binlageplättchens ist, daß das BlnlageplSttchen ferner Verdickungen (3, 4) an denjenigen Stellen aufweist, an denen das Plättchen durch die Kolbenringnuten (8) geschnitten vird, vobei die Breite (H) dieser Ver- dickungen ebenfalls größer als die Dicke (S) des eigentlichen Plättchens ist, und daß seitliche Rippen (6) sur weiteren Vergrößerung der Anlagefläche des Plättchens an dem umgebenden Leichtmetall beitragen.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennseichnet,

daß die verbreiterten Flächen (2, 6) so große Abmessungen haben, daß bei der höchstmöglichen Belastung durch die Kolbenringe die auf das Leichtmetall ausgeübten Drücke die Festigkeit desselben nicht überstell*₈₂4/o7 94

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