DE1801450B1

DE1801450B1 - Leichtmetallkolben einer Kolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1801450B1
Application number: DE19681801450
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Anton Dolenc
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1968-09-25
Filing date: 1968-10-05
Publication date: 1970-08-27
Also published as: CH496886A; GB1229346A; NL6814601A; NL134556C; ES181875Y; FR2018853A1; ES181875U

Description

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Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben modul Eb des Kolbenwerkstoffs zum Elastizitätseiner Kolbenbrennkraftmaschine mit im Leichtmetall modul Ea des Ringträgerwerkstoffs, entsprechend der des Kolbens eingegossenem Ringträger, der Nuten Formel a[b = Eb[Ea. Dadurch wird eine gleichfür mehrere Kolbenringe aufweist. mäßigere Deformation des Kolbens unter Belastung Es ist bei Leichtmetallkolben von Kolbenbrenn- 5 erzielt, und es wird die Entstehung von größeren kraftmaschinen bekannt, Ringträger einzugießen, um Spannungskonzentrationen im Leichtmetall des KoI-dadurch die Nuten der Kolbenringe in einem gegen bens am Rande des Hohlraums vermieden. Abnutzung widerstandsfähigeren Werkstoff ausbilden Es ist auch vorzugsweise möglich, den Hohlraum, zu können. Dabei war es bisher je nach der Belastung der sich zwischen den Flanschen des Ringträgers des Kolbens durch Massenkräfte schwierig oder io befindet, mit einem zentralen Kühlraum des Kolbens unmöglich, eingegossene Ringträger für mehr als eine durch mindestens ein eingegossenes Röhrchen zu Ringnut, z. B. nach der USA.-Patentschrift 2 278 958 verbinden, dessen Werkstoff eine größere Festigkeit, oder dem Gebrauchsmuster 1 725 117, unterzubrin- insbesondere Dauerfestigkeit, aufweist als das Leichtgen, da sonst bei größeren Abmessungen des Ring- metall des Kolbens. Dadurch wird in der gleichen trägers wegen der durch Massenkräfte verursachten 15 Weise wie beim Ringträger eine Spannungskonzen-Wechselspannungen Risse und Ablösungen an der tration mit Kerbwirkung im Leichtmetall des Kolbens Verbindungsfläche entstanden. an den Rändern der Kanäle vermieden.

Andererseits ist es z. B. aus den USA.-Patent- Die der Bildung der Druckvorspannung dienenden Schriften 1 249 799 und 2 478 179 bekannt, Kolben Gewindebolzen können vorteilhafterweise gleichvon Kolbenbrennkraftmaschinen derart aus verschie- 20 zeitig der Befestigung der Lagerringe für die Kolbendenen Teilen zusammenzubauen, daß die Ringnuten lagerung dienen. Dadurch ist es möglich, bei be- _Λ für die Kolbenringe in einem Werkstoff größerer stimmten Kolbenformen bereits bestehende Gewinde- \ Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung ausgebildet bolzen nach einer geringfügigen Abänderung für den werden. In einem solchen Falle ist der Kolben mit erfindungsgemäßen Zweck heranzuziehen, einem ringförmigen Teil versehen, der z. B. aus Guß- 25 Schließlich ist es möglich, die der Bildung der eisen besteht und mit den übrigen, aus Leichtmetall Druckvorspannung dienenden Gewindebolzen mit am bestehenden Teilen des Kolbens verschraubt wird. Kolbenboden befindlichen Köpfen zu versehen, von In diesem Falle ist es möglich, den Teil aus wider- denen mindestens einige ein Gewinde für die Aufstandsfähigerem Werkstoff mit mehreren Ringnuten hängung des Kolbens beim Ein- und Ausbau aufzu versehen. Diese Ausführung ist jedoch schwer 30 weisen. Es können dabei besondere Bohrungen für und teuer. Außerdem treten erfahrungsgemäß Pas- diesen Zweck, die in der Regel in der Mitte des sungsrostschäden an den Verbindungsstellen auf. Kolbenbodens ausgebildet sind und diesen schwä-Die Erfindung hat die Schaffung einer Anordnung chen, entfallen. Gleichzeitig ist dabei das Gewinde zum Ziel, welche die Vorteile der bekannten Aus- in Teilen aus einem Werkstoff höherer Festigkeit führungen verbindet, ihre Nachteile jedoch vermei- 35 ausgebildet, die zudem noch bei einer Beschädigung det. So soll der erfindungsgemäße Kolben einen ein- des Gewindes auswechselbar sind, gegossenen Ringträger enthalten, der die Aufnahme Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichmehrerer Kolbenringe gestattet, mit dem übrigen nung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Kolben einen guten Wärmeübergang aufweist und In der Zeichnung ist ein Leichtmetallkolben dardabei gegen die Entstehung von Rissen und Ab- 40 gestellt, der eine Lagerfläche 2 für den Kugelkopf 3 lösungen an den Verbindungsflächen gesichert ist. einer Pleuelstange 4 aufweist. Der Kugelkopf 3 wirkt Dieses Ziel wird dadurch erreicht, daß der Ring- gleichzeitig mit einer Lagerfläche 5 zusammen, die in träger durch in Achsenrichtung des Kolbens ver- einem Lagerring 6 ausgebildet ist. Der Lagerring 6 ist ä laufende Gewindebolzen mindestens im Bereich im Kolben 1 durch Gewindebolzen 7 festgeschraubt. ^ seiner Ringnuten unter Druckvorspannung gesetzt ist. 45 Die Gewindebolzen 7, die in größerer Anzahl am Vorzugsweise weist der Ringträger in z. B. aus Umfang des Kolbens 1 angeordnet sind, wobei aus dem erwähnten USA.-Patent 2 278 958 oder dem Gründen der Anschaulichkeit nur einer dargestellt ist, deutschen Gebrauchsmuster 1 725 117 bekannter sind mit versenkten Köpfen 8 versehen, die gegen Weise einen U-förmigen Querschnitt auf, mit in den Drehung gesichert sind. Mindestens zwei Köpfe 8 Kolben nach innen sich erstreckenden Flanschen. 50 diametral entgegengesetzter Gewindebolzen 7 sind Dadurch wird wegen der größeren Verbindungs- mit Gewindebohrungen 9 versehen, die der Aufflächen des Ringträgers mit dem Kolben eine gute nähme von Augen für die Aufhängung des Kolbens Verbindung bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang beim Ein- und Ausbau dienen. An ihren anderen gewährleistet. Enden sind die Gewindebolzen 7 mit einem Gewinde Bei dieser Ausführung ist es vorzugsweise möglich, 55 versehen, auf das als Muttern dienende Gewindein ebenfalls aus dem genannten Patent bzw. dem hülsen 10 aufgeschraubt sind.

Gebrauchsmuster bekannter oder naheliegender Weise Im Bereich der Ringnuten ist der Kolben 1 mit zwischen den Flanschen des Ringträgers einen Hohl- einem Ringträger 11 versehen, welcher eine Mehrraum für ein flüssiges Kühlmittel auszubilden. zahl von Ringnuten 12 für Kolbenringe aufweist. Der Dadurch wird auf einfache Weise eine besonders 60 Ringträger 11 hat einen U-förmigen Querschnitt mit wirksame Kühlung des Ringträgers und der in ihm einer äußeren Ringwand 13 und nach innen sich befindlichen Kolbenringe erzielt. erstreckenden Flanschen 14. Innerhalb des Ring-Festigkeitsmäßig wird ein besonderer Vorteil bei trägers 11 befindet sich ein Hohlraum 15, welcher dieser Ausführung dadurch gewonnen, daß die der Aufnahme eines flüssigen Kühlmittels, in diesem radiale Wanddicke α des Ringträgers im Bereich 65 Falle Kühlöls, zur Kühlung des Kolbens 1 dient. Der einer Ringnut zur vom Boden der Ringnut gemesse- Hohlraum 15 ist mit einem zentralen Kühlraum 16 nen radialen Tiefe b des Hohlraums im wesentlichen des Kolbens 1 durch mindestens ein eingegossenes im gleichen Verhältnis steht wie das Elastizitäts- Röhrchen 17 verbunden. Der Kühlraum 16 steht in

an sich bekannter Weise durch einen Kanal 18 mit einem in der Pleuelstange 4 in ebenfalls bekannter Weise ausgebildeten Kanal für die Zufuhr des Kühlöls in Verbindung. Dem Abfluß des Kühlöls aus dem Hohlraum 15 dient ein Abflußrohr 19, welches durch den Lagerring 6 und den übrigen Teil des Kolbens 1 führt. Zur Durchführung der Gewindebolzen 7 sind im Kolben 1 und im Lagerring 6 Bohrungen 20 ausgebildet, die durch den Ringträger 11 führen und sich in der Nähe seiner äußeren Ringwand 13 befinden.

Bei der Herstellung des Kolbens 1 wird der Ringträger 11 im Leichtmetall des Kolbens 1 eingegossen. Vor dem Eingießen kann die dem Werkstoff des Kolbens 1 zugewandte Fläche der Flansche 14 in bekannter Weise aufgerauht werden. Außerdem wird sie einer bekannten Behandlung zur Erzielung einer Haftung des Leichtmetalls auf dem Werkstoff des Ringträgers 11 unterzogen. Der Ringträger 11 besteht üblicherweise aus einem eisenhaltigen Werkstoff, wie z. B. Gußeisen oder Stahl.

Beim Eingießen des Ringträgers 11 kann sein U-förmiger Querschnitt vorzugsweise für die Befestigung des Kerns für den Hohlraum 15 ausgenutzt werden. Der Kern kann dabei aus einem Salz bestehen, das nach dem Abgießen des Kolbens 1 ausgespült wird. Dadurch wird eine wesentliche Vereinfachung des Gießvorgangs erhalten, da es sonst schwierig ist, die Kerne für im Kolben 1 auszubildende ringförmige Hohlräume zu befestigen.

Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, hat die Ringwand 13 eine Wanddicke α und der Hohlraum 15 von der äußeren Fläche der Ringwand 13 aus gemessen eine Tiefe b. Wie bereits erwähnt, wird ein besonderer Vorteil dadurch gewonnen, daß das Verhältnis dieser Größen entsprechend der Formel a/b = EbIEa ausgebildet wird, wobei Ea das Elastizitätsmodul des Ringträgerwerkstoffs und Eb das Elastizitätsmodul des Kolbenwerkstoffs ist. Dadurch wird nämlich bei einer Belastung des Kolbens 1 durch auf seinen Boden wirkenden Gasdruck eine gleichmäßigere Deformation im Bereich des Ringträgers 11 erhalten, was zu einer Verminderung der Spannungskonzentration am Rande des Hohlraums 15 führt. In der gleichen Weise wird auch durch das Eingießen des Röhrchens 17 in den Werkstoff des Kolbens eine Versteifung der Wand des dadurch gebildeten Kanals erzielt, was die Verminderung von Spannungskonzentration und der dadurch bedingten Kerbwirkung zur Folge hat.

Durch Anziehen der Gewindehülsen 10 wird der Ringträger zwischen seinen benachbarten Teilen des Kolbens 1 eingeklemmt und unter Druckspannung gesetzt. Dadurch wird die Entstehung von Zugspannungen an den Verbindungsflächen des Ringträgers 11 mit dem Kolben 1 vermieden und die Gefahr einer Ablösung an diesen Stellen verhindert.

Claims

Patentansprüche:

1. Leichtmetallkolben einer Kolbenbrennkraftmaschine mit im Leichtmetall des Kolbens eingegossenem Ringträger, der Nuten für mehrere Kolbenringe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (11) durch in Achsenrichtung des Kolbens (1) verlaufende Gewindebolzen (7) mindestens im Bereich seiner Ringnuten (12) unter Druckvorspannung gesetzt ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (11) in an sich bekannter Weise einen U-förmigen Querschnitt aufweist mit in den Kolben (1) nach innen sich erstreckenden Flanschen (14).

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise zwischen den Flanschen (14) ein Hohlraum (15) für ein flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist.

4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Wanddicke (α) des Ringträgers (11) im Bereich einer Ringnut (12) zur vom Boden der Ringnut (12) gemessenen radialen Tiefe (b) des Hohlraumes (15) im wesentlichen im gleichen Verhältnis steht wie das Elastizitätsmodul Eb des Kolbenwerkstoffes zum Elastizitätsmodul Ea des Ringträgerwerkstoffes entsprechend der Formel a/b = Eb/Ea.

5. Leichtmetallkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (15) mit einem zentralen Kühlraum (16) des Kolbens (1) durch mindestens ein eingegossenes Röhrchen (17) verbunden ist, dessen Werkstoff eine größere Festigkeit aufweist als das Leichtmetall des Kolbens (1).

6. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bildung der Druckvorspannung dienenden Gewindebolzen (7) gleichzeitig der Befestigung des Lagerringes (6) für die Kolbenlagerung dienen.

7. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bildung der Druckvorspannung dienenden Gewindebolzen (7) mit am Kolbenboden befindlichen Köpfen (8) versehen sind, die je ein Gewinde für die Aufhängung des Kolbens (1) beim Ein- und Ausbau aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen