DE1525581B2 - Hubkolben fuer waermekraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben, insbesondere aus Leichtmetall, für Wärmekraftmaschinen mit hoher thermischer Belastung, der entsprechend der FR-PS 12 09 789 besteht aus einem die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenkopf, ferner aus Lageraugen für den Kolbenbolzen und aus einem vom Kolbenkopf und dessen die Kolbenringe aufnehmenden Teil sowie von den Kolbenbolzen-Lageraugen gesondertem Kolbenmantel, welcher in derjenigen Zone einen Ausgleichsschlitz aufweist, die der Zone maximaler Drücke des Kolbens auf den Zylinder gegenüberliegt, sowie aus zwei Stützwänden, welche den Kolbenkopf mit den Kolbenbolzen-Lageraugen und dem Kolbenmantel verbinden und sich auf der einen und der anderen Seite derjenigen Mittelebene des Kolbens befinden, welche senkrecht zur Achse der Kolbenbolzen-Lageraugen verläuft.

Bei diesem bekannten Kolben verlaufen die Stützwände parallel zueinander. Daraus ergibt sich bei hoher thermischer Belastung des Kolbens, die eine Ausdehnung der Stützwände bewirkt, eine Anlage des Kolbenmantels gegen den Zylinder im wesentlichen entlang von vier Erzeugenden des Kolbenmantels. Eine derartige Anlage an vier geraden Linien ist im Hinblick auf die Stabilität unnötig und erhöht die Gefahr des Fressens des Kolbens. Außerdem läßt sich eine derartige Vierlinienanlage nur schwer erreichen, wenn man überlegt, daß ein Kolbenmantel, der sich an vier am Umfang mit großem Abstand voneinander angeordneten Linien abstützt, verhältnismäßig wenig biegsam ist.

Aus der GB-PS 4 60 321 und aus der FR-PS 8 43 389 sind auch Kolben bekannt, bei denen die Stützwände von den Kolbenbolzenaugen zum Kolbenmantel hin nach beiden Seiten konvergieren, so daß sich eine Abstützung des Kolbenmantels etwa entlang von zwei einander gegenüberliegenden Erzeugenden ergibt, die sich in einer Ebene quer zur Kolbenbolzenachse befinden. In diesem Falle bleibt zwar der Kolbenmantel wesentlich biegsamer. Es ergeben sich dabei jedoch im wesentlichen dieselben Nachteile wie bei den ebenfalls bekannten Kolben mit elliptischem Querschnitt. Diese Nachteile bestehen darin, daß eine Berührung des Kolbenmantels mit dem Zylinder nur in einer senkrecht zur Schwenkachse des Kolbens liegenden Ebene gewährleistet ist. Dies ergibt weder eine stabile Abstützung des Kolbens noch einen guten Wärmeübergang vom Kolbenmantel an die Zylinderwandung.
Bei einem weiteren aus der US-PS 14 99 073 bekannten Kolben wird dem Problem der Biegsamkeit des Kolbens dadurch begegnet, daß der Kolbenmantel in zwei verhältnismäßig kurze, mit Durchbrüchen versehene und voneinander getrennte pantoffelartige Laufschuhe unterschiedlicher Umfangserstreckung aufgeteilt ist. Auch dieser Kolben ist aber für hohe Wärmebelastungen nicht geeignet, weil die Wärmeabfuhr nur über die beiden mit teilweise geschlossenen, gegensinnig angeordneten Ausgleichsschlitzen versehenen Laufschuhe erfolgt und überdies die nur geringfügig konvergierenden Stützwände wiederum eine Abstützung des Kolbenmantels entlang von vier Linien bewirken.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Kolben mit Stützwänden so auszubilden, daß er auch bei hohen thermischen Belastungen und großen Kolbengeschwindigkeiten gute Laufeigenschaften aufweist, d. h. bei stabiler Abstützung im Zylinder infolge hoher Biegsamkeit und gutem Wärmeübergang von Mantel zur Zylinderwandung nicht zum Fressen neigt.

Ausgehend von einem Hubkolben der eingangs definierten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Stützwände auf eine Erzeugende des Kolbenmantels hin konvergieren, in deren Bereich im Betrieb die maximalen Drücke des Kolbens auf den Zylinder auftreten, und auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Kolbens an weit voneinanderliegenden Erzeugenden in den Kolbenmantel übergehen.
Vorteilhaft weisen die Stützwände wenigstens über einen Teil ihrer Länge ein kurvenförmiges Profil auf, wodurch ihre Nachgiebigkeit verbessert wird.

Auf diese Weise ergibt sich bei einer Wärmedehnung der Stützwände eine Drei-Linien-Abstützung des Kolbens innerhalb des Zylinders. Der Kolbenmantel kann sich deshalb verhältnismäßig leicht verformen und an die zugeordnete Zylinderwandung anlegen. Ein derart ausgebildeter Kolben erhält eine gute isostatische Abstützung, ist stabil und hat geringe Neigung zum Fressen. Die gut verteilten Berührungszonen erleichtern die Ableitung der Wärme vom Kolbenmantel in den Zylinder.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen Zeichnungen näher erläutert. '

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Kolben nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens,

F i g. 2 einen Querschnitt gemäß Linie II-II der F i g. 1, Fig.3 einen Querschnitt gemäß Linie HI-III der

F i g. 4 einen der F i g. 2 entsprechenden Querschnitt bei einem Kolben nach einer weiteren Ausführungsform

der Erfindung.

Der in Fig. 1 bis 3 dargestellte Kolben 1 läuft in einem Zylinder 2 und umfaßt einen die Kolbenringe tragenden Kolbenkopf 3, einen Kolbenmantel 4 und zwei Lageraugen 5 für den Kolbenbolzen, die einzeln in F i g. 2 zu erkennen sind. Die Teile 3,4 und 5 sind durch Stützwände 9 miteinander verbunden, die weiter unten noch beschrieben sind, und die Gesamtheit bildet ein einziges Gußstück.

Der Kolbenkopf 3 weist einen Kolbenboden 6 und einen Ringbereich 7 auf, in dem Nuten 8 zur Aufnahme vun Kolbenringen vorgesehen sind.

Die dünnen Stützwände 9 schließen sich jeweils mit ihren inneren Endflächen an die inneren Endflächen 10 der beiden Lageraugen 5 an und verbinden diese mit den inneren Endflächen des Kolbenmantels 4 und den Teilen 6 und 7 des Kolbenkopfes 3.

Gemäß Fig.3 ist andererseits jedes der beiden Lageraugen 5 mit der inneren Stirnfläche des Kolbenbodens 6 mit Hilfe von zwei Rippen ti und 12 verbunden, welche an eine betreffende Stützwand 9 anschließen und an der dem Kolbenboden 6 gegenüberliegenden Lagerstirnfläche ihren Ausgang nehmen. Die Rippen 11 und 12 sind jeweils an ihren Außenkanten durch einen Teil 13 miteinander verbunden, welcher zum Teil durch einen Sektor des Kolbenkopfringes 7 gebildet ist und zu einem anderen Teil durch eine Verlängerung dieses Sektors, welche an die äußere Endfläche des entsprechenden Lagerauges 5 anschließt.

Man erkennt aus den Fig. 1 und 3, daß jede Stützwand 9 eine Ausnehmung 14 aufweist, die in dem durch die beiden Rippen 11 und 12, die innere Stirnfläche des Kolbenbodens 6 und die gegenüber dem Kolbenboden 6 liegende Stirnfläche des Lagerauges begrenzten Raum liegt.

Fig.2 läßt erkennen, daß der Kolbenmantel 4 eine Ausnehmung 15 an der Stelle jedes Lagerauges 5 aufweist, so daß der Kolbenmantel in einem Bereich seiner Höhe in zwei Sektoren 16 und 17 unterteilt ist. Man sieht außerdem, daß die beiden Stützwände 9, die schräg gegeneinander angeordnet sind, den Sektor 16 in der Nähe ein und derselben Erzeugenden 18 miteinander verbinden, während die Stützwände an dem gegenüberliegenden Sektor 17 längs zweier weit voneinander entfernter Erzeugenden 19 und 20 in den Kolbenmantel übergehen.

Der Sektor 17 weist über seine gesamte Höhe einen Ausgleichsschlitz 21 auf. Außerdem ist die Kante 7A des Ringbereichs 7 des Kolbenkopfes 3, die sich gegenüber dem Kolbenmantel befindet, ohne irgendeine direkte Verbindung mit den Stützwänden 9, die zu dem Zweck tiefe Einschnitte aufweisen, welche sich an der Seite des Sektors 17 in große Ausnehmungen 22 fortsetzen.

Der Kolbenkopf 3 und der Kolbenmantel 4 sind im wesentlichen zylindrischer Form, wobei der Durchmesser des Kolbenkopfes gewöhnlich geringer ist als derjenige des Kolbenmantels.

Eine derartige Ausführungsform ermöglicht eine freie Ausdehnung des Kolbenkopfes unabhängig von dem Kolbenmantel, wenn die einzige Verbindung zwischen diesen beiden Teilen durch die dünnen Stützwände 9 gebildet ist. Jede Stützwand 9, die durch die Ausnehmungen 14 unterbrochen ist und mit den Teilen 11, 12 und 13 in Verbindung steht, bildet mit diesen einen dünnen gewellten Flügel, der deformierbar ist und dem Ringbereich 7, der einfach am Umfang bearbeitet ist, ermöglicht, seine kreiszylindrische Form unter der Wirkung von Dehnungen beizubehalten. Die Stützwände 9 sind zwar dünn, ermöglichen jedoch einen direkten Wärmeübergang von dem Kolbenkopf an den Kolbenmantel und an die Zylinderwandung und tragen dazu bei, die auf den Kolbenkopf 3 ausgeübten Druckkräfte auf die Lageraugen 5 zu übertragen. Die Teile 11,12 und 13 sind in Querrichtung hinreichend deformierbar, so daß eine freie Dehnung des Kolbenkopfes 3 möglich ist, und stellen andererseits in axialer Richtung des Kolbens eine äußerst feste Verbindung zwischen dem Kolbenkopf 3 und den Lageraugen 5 dar. Die Stützwände 9 geben dem Kolbenmantel 4 eine äußerst stabile Dreizonenabstützung. Die Konvergenz der Stützwände 9 in dem Sektor 16 ermöglicht, daß dieser sich frei dehnen kann, und zwar als Folge der gemeinsamen Erzeugenden der Berührungsstelle, die beiden Stützwänden gemeinsam ist, wobei trotzdem eine robuste Tragwirkung erreicht ist. Der Sektor 16 ist also besonders gut ausgebildet für die beim Arbeitshub gegen den Zylinder gedrückte Kolbenseite aufgrund der Neigung der Pleuelstange. Die relativ schwache Ausbildung des Sektors 17, die sich durch die an dieser Stelle im Abstand voneinander liegenden Stützwände 9 ergibt, gewährleistet, daß dieser Sektor in wünschenswerter Weise nachgiebig ist, insbesondere in bezug auf die Neigung zu Schwenkbewegungen des Kolbens. Die freie Dehnungsmöglichkeit des Sektors ist durch Ausnehmungen 22 begünstigt, welche an den Stützwänden 9 angebracht sind, sowie durch den Ausgleichsschlitz 21. Durch die schräge Anordnung der Stützwände 9, durch die Ausnehmungen 22 und den Ausgleichsschlitz 21 wird erreicht, daß der Kolbenmantel selbst unter Temperatureinfluß seine kreiszylindrische Gestalt beibehält.

In F i g. 4 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Kolbens dargestellt. Es braucht nicht im einzelnen auf diejenigen Teile eingegangen zu werden, die denjenigen nach den F i g. 1 bis 3 entsprechen, da diese durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet sind.

Man erkennt, daß in diesem Fall die Stützwände 9 nur mit ihren an den Sektor 16 angrenzenden Teilen 9Λ gegen diesen Sektor konvergieren, während die Bereiche 9ß in der Nähe des Sektors 17 parallel zueinander verlaufen. Die Krümmung der Bereiche 9A hat einen günstigen Einfluß auf die freie Dehnungsmöglichkeit des Kolbenmantels unter dem Einfluß von Wärme.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hubkolben, insbesondere aus Leichtmetall, für Wärmekraftmaschinen mit hoher thermischer Belastung, bestehend aus einem die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenkopf, ferner aus Lageraugen für den Kolbenbolzen und aus einem vom Kolbenkopf und dessen die Kolbenringe aufnehmenden Teil sowie von den Kolbenbolzen-Lageraugen gesondertem Kolbenmantel, welcher in derjenigen Zone einen Ausgleichsschlitz aufweist, die der Zone maximaler Drücke des Kolbens auf den Zylinder gegenüberliegt, sowie aus zwei Stützwänden, welche den Kolbenkopf mit den Kolbenbolzen-Lageraugen und dem Kolbenmantel verbinden und sich auf der einen und der anderen Seite derjenigen Mittelebene des Kolbens befinden, welche senkrecht zur Achse der Kolbenbolzen-Lageraugen verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützwände (9, 9a, 9b) auf eine Erzeugende (18) des Kolbenmantels (4) hin konvergieren, in deren Bereich im Betrieb die maximalen Drücke des Kolbens auf den Zylinder auftreten und auf der gegenüberliegenden anderen Seite (17) des Kolbens an weit voneinanderliegenden Erzeugenden (19, 20) in den Kolbenmantel (4) übergehen.

2. Hubkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützwände (9a, 9b) wenigstens über den Teil (9a) ihrer Länge ein kurvenförmiges Profil aufweisen.