DE2152462B2 - Kolben für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Leichtmetallkolben, für Verbrennungskraftmaschinen.

Bekanntlich werden die auf den Kolbenboden einwirkenden Gaskräfte aus dem Verbrennungsraum über die Kolbenaugen auf den Kolbenbolzen übertragen. Da sich der Kolbenbolzen bedingt durch die pendelnde Bewegung des Pleuels in den Kolbenaugen drehen muß, sind diese auch als hochbelastete Lager anzusprechen. Die auf den Bolzen einwirkenden Kräfte biegen diesen periodisch durch und verformen ihn zusätzlich oval. Dadurch werden die Kolbenaugen sowohl in der waagerechten als auch in der senkrechten Ebene, insbesondere aber in ihrem oberen Scheitel, auf Zug, Druck und Biegung beansprucht. Infolge der Durchbiegung des Kolbenbolzens nimmt die Spannung in den Kolbenaugen zum Inneren hin um ein Vielfaches zu. Mit steigender Belastung des Kolbens muß daher der Form der Bohrungen in den Kolbenaugen ganz besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Insbesondere ist dies schon deshalb wichtig, weil aus Gewichtsgründen, trotz steigender Kolbenbelastung, der Bolzen nicht stärker, sondern wegen der mit höheren Drehzahlen gleichzeitig ansteigenden Massenkraft eher noch leichter gemacht werden muß.

So ist es beispielsweise aus Bensinger W.-D. und Meier A.: »Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei schnellaufenden Verbrennungsmotoren«, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1961, Springer-Verlag, Seite 10 bekannt, zum Abbau der Spannungsspitzen am Innenrand der Kolbenaugen dessen Kante mit einem Radius von 1 mm zu verrunden oder den Kolbenaugen in diesem Bereich eine solche Elastizität zu geben, daß diese etwa der Durchbiegung des Kolbenbolzens folgen, ohne dabei eine Überbeanspruchung des Kolbenwerkstoffs hervorzurufen Ebenso wird vorgeschlagen, den Innenrand der Kolbenaugen mit einer Steigung von 1 :100 mm konisch auszubilden.

In diesem Zusammenhang ist auch auf die DE-AS 12 09 844 hinzuweisen, aus der zu entnehmen ist, daß am Außenumfang der Kolbenaugen rechteckige Verstärkungsringe aufgeschrumpft sind. Da sich dieser Teil der Bolzenaugen, auf dem der Verstärkungsring aufgeschrumpft ist, im Betriebszustand dadurch weniger ausdehnt als der übrige Teil der Kolbenaugen, wird die Bohrung in den Kolbenaugen zum Ausgleich dieser Ausdehnungsdifferenz nach der Seite des aufgeschrumpften Ringes hin enger ausgebildet, so daß sich im Betriebszustand wieder zylindrische Bohrungen, wie bei unbewehrten Kolbenaugen vorhanden sind, ergeben.

Trotz: der aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Maßnahmen, ist es bisher nicht gelungen, die in den Bohrungen der Kolbenaugen im Betriebszustand von außen nach innen progressiv zunehmende Spannung wesentlich zu reduzieren und damit gleichzeitig eine bessere gleichmäßige Schmierung sowie eine geringere Freßanfälligkeit und eine Senkung des Geräuschpegels zu erzielen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll es sein, die Spannung in den Kolbenaugen bei maximaler Belastung über die gesamte Auflagelänge des Bolzens weitgehend gleichmäßig zu verteilen und somit insbesondere Spaltbrüche zu vermeiden. Weiter soll eine gute und gleichmäßige Ausbildung des Schmierkeiles erreicht werden, wodurch eine Druckminderung in der Bolzenlagerung erzielt und ein Anfressen verhindert wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch einen Kolben gelöst, bei dem

a) die Mantellinie der Kolbenaugenbohrungen gebogen ist, um die Durchbiegung des Kolbenbolzens unter maximaler Belastung auszugleichen,

b) die Achse der Kolbenaugenbohrungen einen zur Kolbenbodenmitte hin entsprechend der Durchbiegung des Kolbenbolzens im Betriebszustand leicht gekrümmten Verlauf zeigt, so daß im unbelasteten Zustand der Kolbenbolzen etwa in der Mitte der Kolbenaugen aufliegt und auch bei geringerer als der maximalen Belastung die Auflagefläche zwischen Kolbenbolzen und Kolbenaugen verhältnismäßig groß ist und mit zunehmender Belastung ihre

<Ό maximale Größe annimmt,

c) der Querschnitt der Kolbenaugenbohrungen in an sich bekannter Weise oval gestaltet ist, wobei die kleine Halbachse des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft.

In der DE-OS 16 50 206 ist bereits eine oval gestaltete Kolbenaugenbohrung beschrieben, mit deren Hilfe ein möglichst geringes Spiel zwischen Kolbenauge und Bolzen erreicht und gleichzeitig Freßsicherheit und Geräuscharmut erhöht werden. Die Freßsicherheit und Geräuscharmut sind insbesondere im Hinblick auf hohe und tiefe Betriebstemperaturen entscheidend.

Die Ovalität der Kolbenaugenbohrung kommt der Ovalverformung des Bolzens entgegen, so daß eine gleichmäßige Lastverteilung im Kolbenauge stattfindet.

Ein weiterer Vorteil der Ovalform der Kolbenaugenbohrung besteht darin, daß in der unbelasteten senkrecht zur Kolbenachse verlaufenden Zone Schmierstoff-Vorratsräume zwischen dem Kolbenauge und dem Bolzen bestehen.

Die Ovalität der Bolzenaugenbohrungen, die beispielsweise die Form einer Ellipse aufweisen, kann, falls erforderlich, im Hinblick auf einen möglichst großen tragenden Anteil der Oberfläche entsprechend korrigiert werden, d. h. der Wert der Ovalität, der für die normale Ovalität unter einem Winkel von 45° immer die Hälfte des Gesamtwertes der normalen Ovalität beträgt, ist größer oder kleiner als die Hälfte des Gesamtwertes.

Die Ovalität kann auch über den Wert der Ovalverformung des Bolzens hinaus erweitert werden, wodurch öltaschen zwischen Bolzenbohrung und Kolbenbolzen entstehen, die einer guten Schmierkeilbildung sehr dienlich sind und darüber hinaus einen gewissen Spielausgleich zwischen den \ich unterschiedlich ausdehnenden Werkstoffen von Kolben und Kolbenbolzen schaffen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung verlaufen die Bohrungen in den Kolbenaugen zur Vermeidung hoher Spannungen konisch aufgeweitet zum Innenrand der Kolbenaugen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Kolben 1, bei dem die Mantellinie 2 der im Querschnitt runden Bohrungen 3 in den Kolbenaugen gebogen ist;

Fig.2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt 4 aus Fig. 1, wobei die Bohrung der Kolbenaugen zum Innenrand hin verhältnismäßig stark aufgeweitet und im Bereich des Außenrandes leicht aufgeweitet verläuft;
F i g. 3 eine im Querschnitt ovale Bohrung 5 durch ein Koibenauge mit korrigierte Ovalität, wobei im Bereich der Schnittpunkte 6 mit der kleinen Halbachse 7 die Tragflächen und im Bereich der Schnittpunkte 8 mit der großen Halbachse 9 die Schmierstofftaschen liegen. Unter einem Winkel von 45° ist der Gesamtwert der

ίο Ovalität kleiner als seine Hälfte.

F ι g. 4 ein Teillängsschnitt durch einen Kolben 10, bei dem die Bohrungen 11 in den Kolbenaugen so angeordnet sind, daß ihre gemeinsame Achse 12 entsprechend der Durchbiegung des Kolbenbolzens 13 zur Kolbenbodenmitte hin leicht gekrümmt ist und wenigstens im Bereich der Kolbenaugen die Achse 14 des Kolbenbolzens mit der Achse 12 der Bohrungen 11 zusammenfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kolben, insbesondere Leichtmetallkolben, für Verbrennungskraftmaschinen, dessen Bohrungen in den Kolbenaugen durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet sind:

a) die Mantellinie (2) der Bohrungen (3) ist gebogen,

b) die Achse (12) der Bohrungen (11) zeigt einen zur Kolbenbodenmitte hin leicht gekrümmten Verlauf,

c) der Querschnitt der Bohrungen (5) ist in an sich bekannter Weise oval gestaltet, wobei die kleine Halbachse (7) des Ovals parallel zur Längsachse des Kolbens verläuft

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (3) in den Kolbenaugen aufgeweitet zum Innenrand der Kolbenaugen verlaufen.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die OvaJität der Bohrungen in den Kolbenaugen korrigiert ist.