DE19839226A1 - Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb - Google Patents

Abstract

Ein Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb, enthaltend einen Kolbenboden und wenigstens ein Auge, an dem ein Pleuel lagerbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden aus wenigstens zwei Blechformteilen (32, 42) zusammengesetzt ist, die zu mit Löchern ausgebildeten Laschen (36; 46) abgebogen sind, an denen wenigstens ein Pleuel lagerbar ist. Vorzugsweise ist der Kolben ohne Hemd ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Dop­ pelkurbeltrieb.

Ein Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb ist beispielsweise aus der DE 32 38 030 A1 bekannt. Bei einem solchen Doppelkurbeltrieb ist jeder Kolben über mindestens ein Pleuel mit je einer von zwei Kurbelwellen verbunden, die sich mit gleicher Drehzahl gegensinnig drehen und über eine Verzahnung miteinander in Eingriff sind. Ein Vorteil eines solchen Doppelkurbeltriebs liegt darin, daß der Kolben seitenkraftfrei in seinem Zylinder läuft und daß die Kraft des Kolbens über mindestens zwei Pleuel auf die Kurbelwellen übertragen werden kann, wodurch das Gewicht der Pleuel vermindert werden kann und eine höhere Drehzahlfestigkeit erreicht wird. Desweiteren läßt sich durch zweckentsprechende Wahl der Schrägstellung der Pleuel im UT und OT des Kolbens die Bewegungskinematik des Kolbens bezogen auf die Drehung der Kurbelwelle verschieden von einer sinusförmigen Bewegung gestalten, wodurch die thermodynamischen Bedingungen und damit die Leistungsentfaltung und das Drehmoment günstig beeinflußt werden können.

Insgesamt werden an Kolben, die in herkömmlicher Weise einen den Brennraum oder im Falle von Pumpen den Arbeitsraum begrenzenden Boden aufweisen, der an seinem Außen­ umfang in einen Mantel übergeht, der parallel zur Zylinderwand läuft, hohe Anforderun­ gen gestellt. Die Kolben müssen ausreichend warmfest sein, um den Spitzendrucken wäh­ rend der Verbrennung und den hohen Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräften standzu­ halten. Desweiteren sollen die Kolben möglichst leicht sein, damit nicht unnötig hohe Mas­ sen hin- und herbewegt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu schaffen, der sich bei ausrei­ chender Festigkeit insbesondere durch geringes Gewicht und einfache Herstellbarkeit aus­ zeichnet.

Eine erste Lösung der Erfindungsaufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet. Mit der Kon­ struktion des Kolbens gemaß dem Anspruch 1 wird ein kostengünstig herstellbarer und sehr leichter Kolben geschaffen, der in vielfältiger Weise an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar ist.

Die Unteransprüche 2 bis 5 bilden den Kolben nach Anspruch 1 in vorteilhafter Weise weiter.

Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit dem Kolben gemäß Anspruch 6 er­ reicht. Bei diesem mehrteiligen Kolben ist das Pleuel bzw. die Kolbenstange nicht an einer oder mehreren, von Blechformteilen abgebogenen Laschen angebracht, sondern am Ende eines sich kegelförmig verjüngenden Vorsprungs eines zumindest einen Teil der Unterseite des Kolbens bildenden Blechformteils.

Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe ist im Anspruch 7 gekennzeichnet. Der Kol­ ben gemaß dem Anspruch 7, der vorteilhafterweise in Pumpen oder Verbrennungsmotoren einsetzbar ist, in denen der Kolben linear geführt ist, ist dadurch, daß er ohne Hemd aus­ gebildet ist, außerordentlich leicht und deshalb für hohe Drehzahlen geeignet.

Eine weitere Lösung der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 8 er­ reicht. Der Kolben gemäß dem Anspruch 8 besitzt keinen eigenen Kolbenring zur Abdich­ tung zwischen Zylinderwand und Außenumfang des Kolbens. Diese Aufgabe übernimmt zur Brennraumseite hin gebildete Ringscheibe, die durch den Druck im Brennraum abgeflacht wird, dadurch ihren Durchmesser vergrößert und zwischen Kolben und Zylin­ derwand abdichtet.

Der Anspruch 9 ist auf eine vorteilhafte Beschichtung der erfindungsgemäßen Kolben ge­ richtet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit Doppelkur­ beltrieb,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines in dem Motor gemäß Fig. 1 verwendbaren Kolbens,

Fig. 3 eine Aufsicht auf ein erstes Blechformteil,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein zweites Blechformteil,

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen aus den Blechformteilen gemäß Fig.3 und 4 zusammengesetzten Kolben und

Fig. 6 bis 8 Querschnitte durch weitere Ausführungsformen von Kolben.

Gemäß Fig. 1 weist eine Brennkraftmaschine ein Gehäuse 2 auf, in dem zwei Kurbelwel­ len 4, 6 drehbar gelagert sind. Die Kurbelwellen 4, 6 sind über Verzahnungen 8 in gegen­ seitigem Eingriff, so daß sie sich gegensinnig mit gleicher Drehzahl drehen. Ein in einem Zylinder 10 beweglicher Kolben 12 ist mit jeder Kurbelwelle 4 und 6 über je ein Pleuel 14 und 16 verbunden.

Der Kolben 12 ist auf diese Weise linear in dem Zylinder 10 geführt, so daß er sich dort seitenkraftfrei bewegt. Wenn die Anlerikpunkte der Pleuel 14, 16 am Kolben 12 nicht gleichachsig angeordnet sind, sondern, wie dargestellt, einen gegenseitigen Abstand haben, kann der Kolben 12 zusätzlich nicht verkippen.

Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kolbens 12. Der Kolben 12 besteht aus einem insgesamt plattenartigen Boden 18, an dessen Außenumfang eine Ringnut 20 ausgebildet ist, in der ein Kolbenring 22 angeordnet ist. Zur Lagerung der Pleuel 14, 16 ist der Boden 18 mit Ansätzen 24 ausgebildet, die ein Loch zur Aufnahme beispielsweise eines Pleuelbolzens aufweisen.

Der Kolben 12 ist wegen seiner hemdlosen Ausbildung außerordentlich leicht, so daß er sich für hohe Drehzahlen eignet. Er kann ein einteiliges Gußteil sein oder mehrteilig aus­ gebildet sein, wie anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele erläutert. Der Kolben­ ring 22 kann bei geeigneter Materialwahl fehlen. Andererseits können auch mehrere Kol­ benringe 22 vorgesehen sein. Je nach Ausbildung des Doppelkurbeltriebs und der Pleuel (beispielsweise je zwei Pleuel 14 und 16 an einander abgewandten Seiten der als Doppel­ scheiben ausgebildeten Kurbelwellen) können mehrere Ansätze 24 vorgesehen sein, die vorteilhafterweise so verteilt sind, daß eine möglichst gleichmäßige Flächenbelastung des Kolbens 12 erzielt wird. Bei Kurbeltrieben, die über Gleitsteine oder einen Doppelkurbel­ trieb eine lineare hin- und herbewegliche Kolbenstange enthalten, kann nur ein Ansatz 24 mittig am Kolben 12 vorgesehen sein.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird im folgenden eine weitere Ausführungsform eines Kolbens beschrieben, der aus mehreren Blechteilen zusammengesetzt ist.

Gemäß Fig. 3 ist ein in seinem Umfang einem herzustellenden Kolben entsprechendes Blechformteil 32 als eine kreisförmige Blechscheibe ausgebildet, die längs zwei Stanzlinien 34 etwa halbkreisförmig ausgestanzt ist. Aus den durch die halbkreisförmigen Stanzlinien 34 gebildeten Laschen 36 sind zusätzlich Löcher 38 ausgestanzt. Die Laschen 36 können durch Biegen um jeweils eine Biegelinie 40 nach unten aus der Ebene des Blechformteils 32 herausgebogen werden.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Blechformteil 42 mit Stanzlinien 44, Laschen 46, Löchern 48 und Biegelinien 50, das sich vom Blechformteil 32 dadurch unterscheidet, daß die Laschen 46 bzw. Stanzlinien 44 innerhalb der Biegelinien 50 liegen.

Gemäß Fig. 5 sind die Laschen und Biegelinien der beiden Blechformteile 32 und 42 der­ art angeordnet, daß nach Umbiegen der Laschen 36 und 46 die Laschen 36 des Blechform­ teils 32 durch Ausnehmungen 52 hindurchsteckbar sind, die im Blechformteil 32 durch Ausbiegen von dessen Laschen 46 entstehen. Weiter sind die Biegelinien 40 und 50 derart angeordnet, daß die beiden Laschen 36 und 46 in unmittelbare gegenseitige Anlage kom­ men und daß sich die Löcher 38 und 48 überdecken, so daß der aus den beiden Blechform­ teilen 32 und 42 zusammengesetzte Kolben 54 zwei durch die Laschen 36 und 46 mit den Löchern 38 und 48 gebildete Augen 56 aufweist, an denen je ein Pleuel oder an denen mit­ tels eines geeigneten Bolzens ein einziges Pleuel angebracht werden kann.

Die Laschen 36 und 46 können ebenso wie die restlichen Bereiche der Blechformteile 32 und 42 miteinander verschweißt, verklebt oder sonstwie verbunden werden.

Der Kolben 54 ist, wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, aus sehr einfachen Werkzeugen kostengünstig herstellbar, durch seine laminierte Struktur sehr stabil und dennoch leicht und die beiden Augen 56 sorgen für eine gute Verteilung der mechanischen Beanspruchung über die Kolbenfläche. Es versteht sich, daß jedes Blechformteil mit nur einer oder auch mit mehr als zwei Laschen versehen werden kann, so daß der Kolben an die jeweiligen Anforderungen anpaßbar ist, wobei insbesondere die Krafteinleitung von dem Pleuel oder den Pleueln in den Kolben bzw. Kolbenboden gleichmäßig verteilt ist; wodurch der Kolben leichter gebaut werden kann.

Die im oberen Blechformteil 32 durch Abbiegen der Lasche 36 entstehende Ausnehmung kann längs ihrer Ränder verschweißt oder mit einem geeigneten Material ausgefüllt wer­ den, damit der Kolben zuverlässig dicht ist. Desweiteren kann der gesamte Kolben bei­ spielsweise mit einer Keramikbeschichtung versehen werden, die in den durch das Abbie­ gen der Laschen 36 entstehenden Ausnehmungen verankert ist.

Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Kolbens. Ein erstes Blechformteil 60 ist zu einem Ring mit insgesamt U-förmigen Querschnitt abgebogen, wobei der äußere Schenkel des U ein Kolbenhemd 62 bildet und der innere Schenkel 64, dessen Länge un­ terschiedlich zu der des Kolbenhemdes 62 sein kann, mit Löchern 66 zum Anlenken eines oder mehrerer Pleuel versehen ist. Das Blechformteil 60 kann ausgehend von einer kreis­ förmigen Blechscheibe durch Stanzen und Biegen hergestellt werden.

Mit dem Blechformteil 60 ist ein weiteres Blechformteil 70 verbunden, das ein zu einem inneren Schenkel 72 abgebogener Blechring ist und das an seinem Außenumfang abgebo­ gen ist, so daß eine Nut 74 zur Aufnahme eines Kolbenrings 76 entsteht. Auf dem Blech­ formteil 40 befindet sich ein weiteres Blechformteil 60, das als Scheibe ausgebildet ist, die das Blechformteil 70 innerhalb des durch die Nut 74 gebildeten abgebogenen Bereiches überdeckt. Die Blechformteile 60, 70 und 78 können miteinander verschweißt, verklebt oder sonstwie aneinander befestigt sein.

Die inneren Schenkel 64 und 72 der Blechformteile 60 und 70 sind mit Löchern versehen, so daß Augen zum Befestigen von Pleueln vorhanden sind. Die inneren Schenkel 64 und 72 müssen nicht umlaufend ausgebildet sein, sondern können lediglich durch abgebogene, mit den Löchern zur Pleuellagerung ausgebildete Bereiche gebildet sein. Die Löcher kön­ nen wie in Fig. 6 bei den Löchern der inneren Schenkel 72 dargestellt, beim Ausstanzen durchgestellt bzw. mit Ansätzen versehen werden, wodurch die Lagerung eines Pleuelbol­ zens oder -zapfens stabilisiert ist.

Im dargestellten Beispiel ist das Blechformteil 78 und der damit ebene äußere Bereich des Blechformteil 70 mit einer hochtemperaturfesten Schicht 80 aus Keramik versehen, die auf­ gespritzt, aufgesintert oder sonstwie an den Blechformteilen befestigt sein kann, so daß die Blechformteile 78 und 70 des Kolbens 84 nicht unmittelbar mit den Gasen im Brennraum einer Kraftmaschine in Berührung kommen.

In einer abgeänderten Ausführungsform des Kolbens gemäß Fig. 6 kann die Nut 74 mit dem Kolbenring 76 entfallen und kann die Keramikschicht 80 sich radial etwas über das Kolbenhemd 62 hinaus erstrecken, so daß die Keramikschicht 80 die Funktion eines Kol­ benrings in gewisser Weise übernimmt.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kolbens 90, der aus drei Blechformteilen zusammengesetzt ist. Die unteren beiden Blechformteile 92 und 94 entsprechen in gewisser Weise den Blechformteilen 32 und 42 der Ausführungsform gemäß Fig. 5, wobei die von dem oberen Blechformteil 94 abgebogenen Laschen 96 jedoch nicht durch Ausnehmungen 98 des unteren Blechformteils 92 hindurchgesteckt sind, die durch das Ausbiegen der La­ schen 100 des unteren Blechformteils 92 entstehen, sondern durch gesonderte Schlitze des unteren Blechformteils 92. Über dem oberen Blechformteil 94 ist eine weitere Blechschei­ be 102 angeordnet, die einer nach oben gewölbten Randbereich 104 aufweist, der nicht mit dem unteren Blechformteil 94 verbunden ist. Die Materialdicke bzw. Elastizität des Rand­ bereiches 104 und seine radiale Erstreckung sind derart gewählt, daß sich der Randbereich bei gemäß Fig. 7 von oben wirkendem Druck abflacht, so daß der Außendurchmesser des Randbereiches 104 leicht zunimmt und der abgeflachte Randbereich dann radial über das Blechformteil 94 hinausragt und in Art eines Kolbens eine Abdichtung zwischen dem Kolben 90 und der in Fig. 7 nicht dargestellten Zylinderinnenwand bewirkt.

Die Blechscheibe 102 ist weiter mit einer Auswölbung 106 ausgebildet, so daß durch ent­ sprechende Ausbildung der Blechscheibe 102 sich in den Brennraum einragende Mulden usw. ausbilden lassen, die für die thermodynamischen Erfordernisse der Ladungsverbren­ nung im Brennraum vorteilhaft sind.

Fig. 8 zeigt einen aus zwei Blechformteilen 108 und 110 zusammengesetzten Kolben 112. Das obere Blechformteil 108 bildet eine Flachscheibe. Das untere Blechformteil 110 ist derart geformt, daß es umlaufende Rippen 112 aufweist, die starr mit dem Blechformteil 108 verbunden sind, und in seinem zentralen Bereich einen nach unten vorstehenden, sich kegelig bzw. konische verjüngenden Vorsprung 114 aufweist, der in einem Bereich 116 en­ det, mit dem eine Kolbenstange 118 verbunden ist. Die Kolbenstange 118 kann starr mit dem Bereich 116 verbunden sein, wobei der Bereich 116 dann vorteilhafterweise zylin­ drisch ist. Die Kolbenstange 118 kann aber auch in Art eines Pleuels an dem Vorsprung 116 angelenkt sein, wobei der Vorsprung 116 dann zwei seitliche Lappen aufweist, durch die sich ein nicht dargestellter Lagerbolzen erstreckt.

Es versteht sich, daß vielfältige Abänderungen der geschilderten Ausführungsformen mög­ lich sind. Die Lappen bzw. Laschen zum Anbringen des oder der Pleuel können zweckent­ sprechend über den Kolben verteilt sein, so daß eine möglichst gleichmäßige Beanspru­ chung erzielt wird. Die Materialien der einzelnen Schichten bzw. Blechformteile können zweckentsprechend gewählt werden, so daß je nach Einsatzzweck gute thermische Isolie­ rungen, gute Wärmeleitfähigkeiten, geringe Wärmekapazitäten zum Brennraum hin usw. erzielt werden. Die oberste bzw. brennraumseitige Schicht kann mit hoher Güte poliert sein, was die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kolbens vermindert, sein Wärmereflexionsver­ mögen erhöht und der Bildung von Ablagerungen entgegenwirkt. Alternativ kann die ober­ ste Schicht bzw. Oberseite auch porös oder katalytisch wirksam gestaltet werden.

Je nach Bedarf kann ein Kolbenhemd gebildet sein. Die an den einzelnen Blechformteilen ausgebildeten Laschen können in unmittelbarer gegenseitiger Anlage sein oder voneinander beabstandet sein usw.

Die beschriebenen Kolben eignen sich nicht nur zur Verwendung in Brennkraftmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen mit Doppelkurbeltrieb, sondern auch für Pumpen, Hy­ draulik- und Pneumatikzylinder usw.

Bezugszeichenliste

2

Gehäuse

4

Kurbelwelle

6

Kurbelwelle

8

Verzahnungen

10

Zylinder

12

Kolben

14

Pleuel

16

Pleuel

18

Boden

20

Ringnut

22

Kolbenring

24

Ansätze

32

Blechformteil

34

Stanzlinien

36

Lasche

38

Loch

40

Biegelinie

42

Blechformteil

44

Stanzlinie

46

Lasche

48

Loch

50

Biegelinie

52

Ausnehmung

54

Kolben

56

Augen

60

Blechformteil

62

Kolbenhemd

64

innerer Schenkel

66

Löcher

70

Blechformteil

72

innerer Schenkel

74

Nut

76

Kolbenring

78

Blechformteil

80

Schicht

84

Kolben

90

Kolben

92

Blechformteil

94

Blechformteil

96

Lasche

98

Ausnehmungen

100

Lasche

102

Blechscheibe

104

Randbereich

108

Blechformteil

110

Blechformteil

112

Rippen

114

Vorsprung

116

Bereich

118

Kolbenstange

Claims (9)

1. Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb, ent­ haltend einen Kolbenboden und wenigstens ein Auge, an dem ein Pleuel lagerbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben aus wenigstens zwei Blechformteilen (32; 42; 60, 70, 78; 92, 94, 102) zusammengesetzt ist, von denen ausgebildete Laschen (36; 72; 96, 100) abgebogen sind, an denen wenigstens ein Pleuel lagerbar ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, an unterschiedli­ chen Blechformteilen (32, 42) ausgebildete Laschen (36; 46) gemeinsam zur Lagerung ei­ nes Pleuels dienen.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Blechform­ teile (32, 42) vorgesehen sind, die sich über die gesamte Fläche des Kolbenbodens er­ strecken und daß an jedem Blechformteil wenigstens eine abbiegbare Lasche (36, 46) aus­ gestochen ist, wobei die Laschen derart angeordnet sind, daß die Lasche des einen Blech­ formteils durch die durch das Abbiegen der Lasche gebildete Ausnehmung des anderen Blechformteils durchgesteckt ist und die beiden Laschen miteinander verbunden sind.

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß meh­ rere zur gleichmäßigen Belastung des Kolbens über die Kolbenfläche verteilte Laschen (64, 72; 96, 100) zur Lagerung mehrerer Pleuel vorgesehen sind.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens ein Blechformteil (70) an seinem Außenumfang zur Bildung einer Nut (74) zur Auf­ nahme eines Kolbenrings (76) gebogen ist.

6. Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb, ent­ haltend einen Kolbenboden und wenigstens einen Ansatz zum Anbringen einer mit dem Kolben verbundenen Kolbenstange, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz als sich kegel­ förmiger verjüngender Vorsprung (114) eines Blechformteils (110) ausgebildet ist, das zu­ mindest einen Teil der Unterseite des Kolbens bildet, und in einem Bereich (116) zum Verbinden mit der Kolbenstange (118) endet.

7. Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (12; 54) ohne Hand ausgebildet ist.

8. Kolben, insbesondere für einen Verbrennungsmotor mit Doppelkurbeltrieb, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolben (90) an seinem Umfang eine zur Brennraumseite hin gewölbte Ringscheibe (104) aus elastisch nachgiebigem Material aufweist, die sich bei Druckbeaufschlagung vom Brennraum her unter Vergrößerung ihres Außendurchmessers abflacht.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben brennraumseitig eine thermisch isolierende Beschichtung (90) aufweist.