DE1625908C - Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen, der einen Kolbenboden und einen mit dem Kolbenboden einstückigen Kolbenschaft umfaßt, und mit einem mit der Kolben- bzw. Pleuelstange kraftübertragend verbundenen Tragelement, gegen das von der dem Kolbenboden abgewandten Seite ein am Kolbenschaft gehaltertes Stützglied elastisch vorgespannt anliegt.

Bei einem bekannten Kolben dieser Gattung liegt das Tragelement an seinem oberen Außenrand gegen eine nach unten zeigende Schulter an der Innenseite des Kolbenschafts an. Die elastische Vorspannung dient in erster Linie dazu, die Anlage und dadurch die Kraftübertragung zwischen Kolben und Kolbenbzw. Pleuelstange an dieser Stelle zu sichern. Der Kolbenboden weist im mittleren Bereich seiner unteren Seite einen axialen Vorsprung auf, gegen dessen Endfläche sich das Tragelement zusätzlich abstützt.

Die Erfindung bezweckt, den bekannten Kolben in fertigungs- und betriebsmäßiger Hinsicht zu verbessern.

Firfindungsgcmäß dient zur kolbenbodenseitigen Axialabstützung des Kolbens am Tragelement allein ein am Kolbenboden angreifender, in der Belaslungsrichtung starrer und vom Kolbenschaft unabhängiger Ringkörper.

Die vorgeschriebene Gestaltung der kraftübertragenden Verbindung zwischen Kolben und Tragelement hat die unmittelbare Wirkung, daß die Konstruktion statisch bestimmt ist, so daß die jeweils auftretenden Spannungen für jede Kombination von mechanischen und thermischen Belastungen mit voller Sicherheit berechnet werden können. Dies bedeutet, daß man, ohne die Sicherheit gegen Bruch zu gefährden, den Kolben mit minimalen Wandstärken konstruieren kann und dadurch nicht nur eine Materialersparnis, sondern auch eine Herabsetzung der Wärmespannungen und der Massenkräfte erreichen kann. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß diese Vorteile den anscheinenden Nachteil überwiegen, daß die Spannungen vielleicht größer werden können, als bei der oben besprochenen bekannten Konstruktion, in der die Kraftübertragung in zwei voneinander getrennten Bereichen erfolgt, so daß die Konstruktion statisch unbestimmt ist. Die Verwen-

ao dung eines gesonderten bzw. vom Kolben unabhängigen Ringkörpers hat den weiteren Vorteil, daß eine spannende Bearbeitung der Innenseite des Kolbenschaftes und des außerhalb des Ringkörpers gelegenen Teils der Kolbenbodenunterseite leicht möglich ist, auch wenn der Ringkörper relativ dicht innerhalb des Kolbenschaftes angeordnet wird, was für die Spannungsverteilung am günstigsten ist. Die somit ermöglichte Kontrolle mit den Wandstärken des Kolbenbodens und des Schafts ist vorteilhaft in Hinblick auf den erwünschten gleichmäßigen Verlauf der Wärmespannungen in den betreffenden Wänden und der Strömung der Kühlflüssigkeit bei flüssigkeitsgekühlten Kolben.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Ringkörper an einer am Tragelement vorgesehenen Ringkante zentriert sein.

Der Ringkörper kann oben Aussparungen zum Führen einer Kühlflüssigkeit für den Kolben aufweisen. Die Kolbenstange kann hohl sein, und ferner kann ein trichterförmiger Einsatz in der Kolbenstange zwischen den in verschiedenen Höhen angeordneten Aussparungen an der Innenseite des Ringkörpers anliegen. Hierdurch wird der oben erwähnte gleichmäßige Verlauf der Kühlflüssigkeitsströmung in zweckmäßiger Weise durch die Ausbildung des Ringkörpers unterstützt.

Die elastische Verspannung kann durch ein Federelement, z. B. Tellerfeder, erzielt werden, das einerseits am unteren Rand des Tragelements und andererseits an einem am unteren Rand des Schaftes befestigten Ring anliegt. Bei dieser Ausführungsform sind keine anderen Bolzenverbindungen als zwischen dem Kolbenschaft und dem Ring erforderlich, und diese Bolzen sitzen an einer Stelle, an der sowohl die mechanischen als auch die thermischen Belastungen klein sind.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Der gezeigte Kolben 1 besteht aus einem Kolbenboden 2, der in einem Stück mit einem Schaft 3 hergestellt ist, welcher in seiner Mantelfläche mit eine; Anzahl Nuten 4 zur Anbringung nicht gezeigter KoI benringe versehen ist.

Die zum Kolben gehörende Kolbenstange 5 is hohl und an ihrem oberen Ende mit einem Flansch < verschen, dessen äußerer Durchmesser um einen un wesentlichen Betrag kleiner ist als der inwendigi Durchmesser des Kolbenschaftcs 3. Zwischen den

Flansch und dem Schaft sind zwei O-Ringe 7 in entsprechende Nuten im Flansch eingelegt. Die O-Ringe dienen als Dichtung für das Kolbenkühlöl, dessen Zirkulation nachfolgend beschrieben wird.

Die Oberseite des Flansches 6 der Kolbenstange ist mit einer abgedrehten Kante 8 ausgestattet, die zum Zentrieren eines zylinderringförmigen Unterstützungsorgans 9 dient, das zwischen der Oberseite des Flansches 6 und der Unterseite des Kolbenbodens 2 angebracht ist. Der Flansch 6 weist auf seiner Unterseite einen nach unten zeigenden Ansatz 10 auf, und eine Tellerfeder 11 liegt mit der inneren Kante ihrer Oberseite am Ansatz 10 an. Die äußere Kante der Unterseite der Tellerfeder 11 liegt an einer ringförmigen Fläche eines Ringes 12 an, der mit Hilfe einer Anzahl Bolzen 13 an der Unterseite des Kolbenschaftes 3 befestigt ist.

Bei geeigneter Wahl der Abmessungen der Komponenten bewirkt die Feder 11 eine Vorspannung in Form einer axialen Druckkraft auf das Unterstützungsorgan 9, durch die die Anlage dieses Organs an den Flansch 6 und die Unterseite des Kolbenbodens 2 gewährleistet ist, und zwar selbst bei den maximal auf den Kolben einwirkenden, in Richtung von der Kolbenstange weg auftretenden Massenkräften. Die Vorspannungskraft, die als eine axiale, auf den Schaft 3 ausgeübte Zugkraft aufgenommen wird, wird so groß gewählt, daß auch nach der Wärmeausdehnung des Kolbens bei der Arbeitstemperatur eine genügende Sicherheit vorhanden ist, d. h., daß die Anlagekraft des Organs 9 an den Flansch 6 bzw. den Kolbenboden 2 nicht auf Null oder unter Null fällt.

Die einzelnen Teile können so bemessen sein, daß die Feder 11 bei der Montage, wenn die Teile kalt sind, nicht nur am oben genannten Ansatz 10 am Flansch 6 anliegt, sondern auch entlang der äußeren Kante des Flansches und der Feder, so wie es bei 14 auf der Zeichnung dargestellt ist. Wenn sich der Kolben bei der Arbeitstemperatur ausdehnt, tritt an dieser Stelle ein kleines Spiel auf, so daß die Feder 11 am Kolben bzw. an der Kolbenstange anliegt. Frißt jedoch der Kolben im Zylinder, wird er in seiner Bewegung gebremst, so daß sich beim Abwärtshub Kolbenstange 5 und Kolben 1 so weit relativ zueinander bewegen, bis der radial äußere Rand der Feder 11 am Flansch 6 anliegt. Dabei wird die auf den Kolben wirkende Kraft unmittelbar von diesem auf den Flansch übertragen.

Da die Kraftübertragung zwischen dem Kolbenboden 2 und der Kolbenstange 5 allein durch das Organ 9 geschieht, ist dessen Anordnung wie gezeigt, d. h. relativ dicht an der Peripherie des Kolbenbodens, vorteilhaft mit Rücksicht auf die Spannungsverteilung im Kolbenboden. Der Zwischenraum zwischen der Außenseite des Organs 9 und der Innenseite des Schaftes 3 wird hierdurch ziemlich schmal, da aber ein separates Unterstützungsorgan benutzt

ίο wird, ist es trotzdem möglich, die Innenseite des Schaftes und die Unterseite des Kolbenbodens außerhalb des Organs 9 zu bearbeiten. Ein solches Bearbeiten ist unter anderem zum Erreichen einer gleichmäßigen Wandstärke und eines gleichmäßigen Ver-Iaufs der Wärmespannungen in den betreffenden Teilen und des Flüssigkeitsstroms durch den Zwischenraum zum Kühlen des Kolbens, siehe unten, erwünscht.

Innen in der hohlen Kolbenstange 5 ist ein Rohr 15 angebracht, das sich oben trichterförmig erweitert und an der Innenseite des Unterstützungsorgans 9 anliegt. Unter- bzw. oberhalb der trichterförmigen Erweiterung des Rohres ist das Unterstützungsorgan 9 mit einer Anzahl Bohrungen 16 und Aussparungen 17 versehen, so daß eine Zirkulation von Kolbenkühlöl mit Zuleitung durch die Bohrung der Kolbenstange 5 außerhalb des Rohres 15 und Wegleitung des Kühlöles durch das Rohr 15 aufrechterhalten werden kann, wie es mit Hilfe von Pfeilen angedeutet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt, sie läßt sich auch auf Tauchkolben anwenden, bei denen ein oder mehrere Federorgane zwischen dem Schaftteil des Kolbens und dem Stuhl, der das Lager für den Kolbenbolzen bildet, und ein dem Unterstützungsorgan 9 entsprechendes Organ zwischen der Oberseite des Stuhls und der Unterseite des Kolbenbodens zur Übertragung des Gasdruckes vom Kolbenboden auf den Stuhl und von dort aus weiter durch den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange angebracht werden. Die genannte Erweiterung der Kolbenstange gilt dann auch für den erwähnten Stuhl eines Tauchkolbens. Obwohl das Unterstützungsorgan in der beschriebenen Ausführungsform allein durch die Vorspannung im Federorgan axial festgehalten wird, könnte es gegebenenfalls, z. B. mit Bolzen, an der Kolbenstange oder am Stuhl in einem Tauchkolben befestigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, der einen Kolbenboden und einen mit dem Kolbenboden einstückigen Kolbenschaft umfaßt, und mit einem mit der Kolben- bzw. Pleuelstange kraftübertragend verbundenen Tragelement, gegen das von der dem Kolbenboden abgewandten Seite ein am Kolbenschaft gehaltertes Stützglied elastisch vorgespannt anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur kolbenbodenseitigen Axialabstützung des Kolbens (1) am Tragelement (6) allein ein am Kolbenboden (2) angreifender, in der Belastungsrichtung starrer und vom Kolbenschaft (3) unabhängiger Ringkörper (9) dient.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (9) an einer am Tragelement (6) vorgesehenen Ringkante (8) zentriert ist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (9) in seinem oberen Teil Aussparungen (16, 17) zum Führen einer Kühlflüssigkeit für den Kolben aufweist.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (5) hohl ist und daß ein trichterförmiger Einsatz (15) in der Kolbenstange zwischen den in verschiedenen Höhen angeordneten Aussparungen (16, 17) an der Innenseite des Ringkörpers (9) anliegt.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verspannung durch ein Federelement, z. B. Tellerfeder, erzielt wird, das einerseits am unteren Rand des Tragelementes (6) und andererseits an einem am unteren Rand des Schaftes (3) befestigten Ring (12) anliegt.