DE2241195C2 - Kolben aus Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine oder einen Kompressor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine oder einen Kompressor mit einer Kolbenkrone, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Kolben kann beispielsweise aus Aluminium, Magnesium oder ähnlichen Leichtmetallen und deren Legierungen bestehen, der Einsatz vorzugsweise aus Stahl. Derartige vorzugsweise aus Stahl bestehende Einsätze in Leichtmetallkolben dienen allgemein einer Steuerung bzw. Kontrolle der bei der erhöhten Betriebstemperatur der Kolben auftretenden, durch Wärmeausdehnung bedingten Verformungen.

Aus der deutschen Patentschrift 9 09163 ist ein Leichtmetallkolben bekannt, der am oberen Ende des Kolbenschaftes, d. h. unmittelbar unter den den Kopf- und Ring-Abschnitt vom Schaft trennenden Querschlitzen, einen Einsatz oder ggf. auch mehrere Einsätze in Form vollständig geschlossener, sich entlang dem gesamten Innenumfang des Kolbenmantels erstreckender Ringe aufweist, deren Hauptquerschnittsachse in der zur Kolbenachse senkrechten Ebene liegt, derart, daß der bzw. die Ringe eine hohe Steifigkeit in radialer Richtung besitzen. Diese Ringe sind entlang ihres gesamten Umfangs in radialer Richtung mittels einer radialen Schwalbenschwanzverbindung zwischen Ring und Kolbenschaft verankert. Zweck dieser bekannten Anordnung ist eine Steuerung des durch die Erwärmung im Betrieb bedingten Wärmewachstums in der oberen Kolbenschaftspartie; mit ansteigender Temperatur nimmt der Durchmesser in Richtung parallel zur Kolbenbolzenachse zu, wobei der Einsatzring aufgrund seiner radialen Verankerung in dem Kolbenmantel einerseits in Richtung der Kolbenbolzenachse im Sinn einer Ausweitung mitgenommen wird, andererseits in der hierzu senkrechten, die Druck- und Gegendruckseite verbindenden Durchmesserrichtung den Kolbenmantel mit einzieht, derart, daß der Kolben insgesamt von seiner anfänglich (im kalten Zustand) ovalen in eine der

ίο Kreisform angenäherte Form überführt wird; für diese Funktionsweise ist die erwähnte radiale Verankerung der (geschlossenen) Ringe im und mit dem Kolbenschaft unerläßlich; der Einsatzring wirkt dabei mit dem Kolbenmantel nicht im Sinn eines Bimetallteils zusammen, sondern wirkt statt dessen als in sich vollkommen geschlossenes, kreisrundes, metallisches Steuerglied, das im Werkstoff des Kolbenschaftes fest verankert ist

Die bekannte Anordnung gestattet somit allenfalls eine gewisse ausgleichende Steuerung der durch die Betriebserwärmung bedingten Wärmeausdehnung und damit verbundenen Folgeerscheinungen entlang des Umfangs in einem bestimmten einzigen, eng begrenzten

'Axialbereich des Kolbenschafts, nämlich am oberen Ende des Kolbens. Die bekannte Anordnung ermöglicht jedoch keine Beherrschung bzw. Steuerung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung in verschiedenen Bereichen entlang der Axialerstreckung des Kolbenschaftes von dessen oberem zu seinem offenen unteren Ende; dieses axiale Wärmeausdehnungsprofil von oben nach unten entlang der Axialerstreckung des Kolbenschafts ist besonders bedeutsam auf den diametral gegenüberliegenden Druck- und Gegendruckseiten des Kolbens.
Aus den deutschen Patentschriften 10 30143 und 10 77 036 ist die Befestigung dehnungshemmender Einlagen bei der Herstellung von Leichtmetallkolben im Hohlpreßverfahren bekannt. Die Einlagen sind als hülsensegmentartige, rechteckförmige Einpreßteile zu beiden Seiten der Kolbenbolzenaugen ausgebildet.

Aus der britischen Patentschrift 7 01291 ist ein Leichtmetallkolben mit einem der Innenform des Kolbenmantels angepaßten Einsatzkörper aus einem Material mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt zur Kontrolle der mit der Wärmeausdehnung des Mantels zusammenhängenden Probleme, wobei der Kolbenmantel und der gegen dessen Innenseite anliegende Einsatzkörper miteinander ein Bimetallteil bilden.

Aus der britischen Patentschrift 11 25 892 sind in

so einem Leichtmetallkolben der allgemein hier in Frage stehenden Art Einsätze in Form zweier langgestreckter, zueinander paralleler und in parallelem Abstand voneinander angeordneter Bänder bekannt, die sich teilweise um den Kolbeninnenraum herum erstrecken und mit dem Leichtmetall des Kolbens ein Bimetallteil bilden; durch diese bekannte Anordnung sollen die durch die entlang der Axialrichtung längs des Kolbenschaftes unterschiedliche Wärmeausdehnung sich ergebenden Probleme, insbesondere an den Druck- und Gegendruckflächen des Kolbens, steuerbar kontrolliert werden. Bei der bekannten Anordnung besteht zwischen den in axialem Abstand parallel zueinander angeordneten Gruppen von Einsatzkörpern keine Verbindung, und sie müssen unterschiedliche Wärmeausdehnung besitzen; vorzugsweise sind sie aus Werkstoffen mit voneinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, und zwar derart, daß die oberen einen niedrigeren WAK als die unteren

Einsatzkörper besitzen. Diese bekannte Anordnung ist daher sowohl in der Herstellung als auch hinsichtlich der Anbringung im Kolben bei dessen Fabrikation verhältnismäßig aufwendig und kompliziert: Die beiden in Längsabstand entlang dem Kolbensch;ift voneinander angeordneten Gruppen von Einsatzkörpern stellen ein mehr- bzw. vielteiliges Gebilde dar, wobei bei der Anbringung in dem Kolben nicht nur jeder dieser Teile gesondert für sich gehaltert und justiert werden muß, sondern auch der für die bestimmungsmäßige Wirkungswei.se (Beherrschung der unterschiedlichen Wärmeausdehnung entlang der Längsachse des Kolbens) wesentliche gegenseitige Abstand der beiden Gruppen von Einsatzkörpem eigens justiert werden muß.

Ausgehend von der aus der britischen Patentschrift 11 25 892 bekannten Anordnung dieser Art liegt der Erfindung als Aufgabe zu Grunde, die Beherrschung der sich aus der entlang der Längsachse des Kolbenschaftes unterschiedlichen Wärmeausdehnung ergebenden Probleme in einfacherer und zugleich wirksamerer Weise mit einer in Herstellung und Anbringung einfacheren Ausbildung der Einsatzkörper zu ermöglichen.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die beiden aus gleichem Werkstoff mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bänder durch ein Verbindungsteil des Einsatzes im Bereich des angrenzenden Kolbenbolzenauges miteinander verbunden sind.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, daß durch ein die beiden Bänder im Bereich des angrenzenden Kolbenbolzenauges miteinander verbindendes Verbindungsteil die angestrebte Wirkung einer gesteuerten Kontrolle der entlang der Längsrichtung des Kolbens unterschiedlichen Wärmeausdehnung gewährleistet werden kann, ohne daß für die beiden Bänder unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten erforderlich sind; gleichzeitig wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung eine Zusammenfassung der beiden Bandteile jedes Einsatzes zu einem einstückigen Einsatzkörper erreicht, der in einfacher Weise aus ein und demselben Werkstoff herstellbar ist und während der Kolbenherstellung und Anbringung des Einsatzes in diesen einfach handhabbar ist, wobei der für die angestrebte Wirkungsweise wesentliche axiale Abstand der beiden Bandteile durch das Verbindungsteil herstellungsmäßig genau vorgegeben und während der Anbringung auf diesem genau vorgegebenen Wert selbsttätig gehalten wird.

Die erfinduiigsgemäße Zusammenfassung der beiden Bänder zu einem einstückigen Gebilde durch ein sich seitlich an das Kolbenbolzenauge anlegendes Verbindungsteil ist dabei gleichzeitig der gewünschten Wirkungsweise der Einsatzkörper optimal angepaßt: Das erfindungsgemäße Verbindungsteil gewährleistet eine besonders wirksame Verankerung des einstückigen Einsatzkörpers im Bereich des Kolbenbolzenauges, derart, daß dieses gewissermaßen als stationäres Widerlager für die aus den Bändern und den mit diesen zusammenwirkenden Bereichen der Kolbenwandung gebildeten Bimetallaggregate dient, während die vom Verbindungsteil entfernten Enden der beiden Bänder im Bereich der kritischen Druck- und Gegendruckflächen des Kolbenmantels unter der Wirkung der Bimetallkräfte gewissermaßen um die Verankerung in dem neutralen Kolbenbolzenaugenbereich frei schwenkbar sind und die gewünschte Steuerungswirkung auf die Wärmeausdehnungsverformung in den kritischen Druck- und Gegendruckflächen auf Grund der definierten Abstützung gegenüber dem Kolbenbolzenauge mit optimalem Wirkungsgrad ausüben können.

Aus der US-Patentschrift 18 35 874 ist ein Leichtmetallkolben bekannt, bei dem die Druck- und Gegendruckflächenbereiche des Koibenmantels gegenüber einer Verformung infolge Wärmeausdehnung durch oberhalb und unterhalb der Kolbenbolzenaugen vorgesehene, zwischen der Druck- und der Gegendruckseite geradlinig quer über den Kolbenquer-ochnitt verlaufende horizontale Querstreben zusammengehalten werden. Die oberen und unteren Querstreben werden dabei jeweils an ihren äußeren Enden durch entsprechende vertikale Glieder zu einem rechteckrahmenförmigen Gebilde ergänzt Abgesehen von der Tatsache, daß die Querglieder frei verlaufende Querstreben und nicht an der Innenseite des Kolbenmantels dessen Krümmung folgend anliegende, mit dem Kolbenmantel nach Art von Bimetallaggregaten zusammenwirkende Teile sind, liegen auch die vertikalen Verbindungsteile nicht im Bereich der Kolbenbolzenaugen vor, sondern an den äußeren Enden der horizontaJen Querstreben im Bereich von deren Verbindung mit dem Kolbenmantel.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird mit einfachen Mitteln eine Beherrschung des erwähnten Wärmeausdehnungprofils entlang der Axialerstreckung des Kolbenschaftes möglich. Durch geeignete Bemessung der Breite der Bänder, des Abstandes zwischen ihnen, des Formverlaufes des Verbindungsteils, der Umfangserstreckung der Bänder, ihrer Steifigkeit, der Steifigkeit der Aluminiumlegierung und der WAK's des Stahls der Einlage und des Aluminiumwerkstoffs des Kolbenschaftes läßt sich hierbei innerhalb weiter Grenzen ein gewünschter Verlauf dieses axialen oder Längsprofils der Wärmeausdehnung über die Axialerstreckung des Kolbenschaftes hin erzielen.

Die Ausbildung als Bänder erleichtert die Auswahl von Einsätzen unterschiedlicher Steifgkeit, indem beispielsweise ein dickeres Einsatzmaterial verwendet wird, zur Erzielung des jeweils gewünschten Wärmeausdehnungslängsprofils vom oberen zum unteren Ende des Kolbenschafts. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Einsätze als in axialen Abständen im oberen und unteren Teil des Kolbenschafts angeordnete unterbrochene Bänder wird erreicht, daß die gebogenen Teile der Bänder vermittels ihrer Auslenkung bzw Verkrümmung eine Steuerung der diametralen Wärmeausdehnung in Richtung des Druck/Gegendruck-Durchmessers entlang verschiedener Stellen der Axialerstrekkung des Kolbenschafts von seinem oberen zu seinem unteren Ende gemäß einem gewünschten Verlauf gestatten.

Gemäß vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Verbindungsteil eines Einsatzes auf der einen Seite eines Ko'benbolzenauges durch ein weiteres Teil des Einsatzes mit dem anderen Verbindungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des gleichen Kolbenbolzenauges verbunden ist. Dabei kann mindestens ein Band sich nicht von dem einen Kolbenbolzenauge bis zum anderen erstrecken und an seinem von dem Kolbenbolzenauge entfernten Bandende gegen ein Gegenlager im Kolbeninneren anliegen.

Bei für derartige Kolben häufiger Ausführung, bei welcher die Kolbenbolzenachse mit der Kolbenmantelachse nicht zusammenfällt, sondern in parallelem Abstand von einer die Kolbenmantelachse enthaltenden Ebene verläuft, kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Einsatz symmetrisch in bezug auf diese Ebene und damit

unsymmetrisch bezüglich der Koibenbolzenachse angeordnet ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 einen Kolben gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Schnittansicht im Schnitt längs einer zur Kolbenbolzenachse senkrechten, gleichzeitig auch die Kolbenmantelachse enthaltenden Ebene,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der F i g. 1,

Fig.3 einen Schnitt ähnlich der Fig. 1, wobei hier aber die andere Ausführungsform dargestellt ist,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie K-K der F i g. 3,

F i g. 5 in der F i g. 1 entsprechender Schnittansicht einen Kolben gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

F i g. 6 eine Schnittansicht im Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 5.

Der Leichtmetallkolben weist eine Kolbenkrone 10, Kolbenringnuten 11, einen Kolbenmantel 12 und Kolbenbolzenaugen 13 auf, in denen Kolbenbolzenbohrungen 14 ausgeformt sind. Die Kolbenbolzenaugen 13 sind an parallel angeordneten Sehnenabflachungen 15 an den Kolbenseiten vorgesehen, die sich in der Umfangsrichtung zwischen einer Druckfläche 16 und einer seitendruckfreien Fläche 17 erstrecken.

Nimmt der Kolben die Betriebstemperatur an, so wirkt sich auf die Ausdehnung des Leichtmetallmantels 12 ein Einsatz regulierend aus, der aus einem Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall besteht Ein für den Einsatz geeignetes Material ist Flußstahlblech. Der Einsatz und der Kolbenmantel stellen somit ein Bimetallteil dar.

Bei der Anordnung der F i g. 1 und 2 besteht der Einsatz aus oberen Bändern 18 und unteren Bändern 19. Die oberen und unteren Bänder 18 und 19 werden durch Einsatzteile 20 in paralleler Erstreckung in einem Abstand voneinander gehalten, die gegen die Kolbenbolzenaugen 13 anliegen oder mit diesen fest verbunden sind. Die beiden Teile 20 sind durch einen weiteren Teil 21 des Einsatzes miteinander verbunden, der an dem Kolbenbolzenauge 13 auf dessen von der Kolbenkrone 10 abgekehrten Seite vorbeigeführt ist. Die Bänder 18 und 19 sind so gestaltet, daß sie sich der Innenform des

ί Kolbenmantels anpassen, wobei sie an Gegenlagern bzw. Anschlägen 22 enden, die an die Innenseite des Kolbenmantels 12 angegossen sind.

Es ist zu bemerken, daß die Achse 23 der Kolbenbolzenbohrung 14 parallel in einem Abstand von

ίο der die Achse 24 des Kolbenmantels 12 enthaltenden Ebene verläuft, und zwar ist die Kolbenbolzenachse 23 gegen die Druckfläche 16 versetzt. Bei einem Kolben mit dieser Bauweise ist der Einsatz in bezug auf den Kolbenmantel 12 symmetrisch angeordnet, nicht aber in bezug auf die Kolbenbolzenachse 23.

In Fig.3 und 4 ist ein Kolben dargestellt, der allgemein dem in F i g. 1 und 2 gezeigten gleicht Auch hier weisen die beiden Flußstahleinsätze obere und untere Bänder 18 bzw. 19 auf, die durch Teile 20 miteinander verbunden sind. Jedoch ist in diesem Fall kein weiteres Teil 21 vorgesehen, das um einen Teilumfang des Kolbenbolzenauges 13 herumgeführt wäre. Statt dessen ist vorgesehen, daß die oberen Bänder 18 nicht an den Gegenlagern bzw. Anschlägen 22 enden, sondern in Erstreckung von dem einen Kolbenbolzenauge 13 bis zu dem anderen ganz um die Innenfläche des Kolbens herumgeführt sind. Erwünschtenfalls kann man auch die oberen Bänder 18 an den Gegenlagern 22 enden lassen und die unteren Bänder 19 durchgehend ausbilden. Eine weitere Alternativmöglichkeit besteht darin, sowohl die oberen als auch die unteren Bänder 18 bzw. 19 durchgehend auszubilden und die Gegenlager bzw. Anschläge 22 ganz fortzulassen.

Die F i g. 5 und 6 zeigen einen weitgehend mit dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten übereinstimmenden Kolben mit dem Unterschied, daß in den F i g. 5 und 6 der weitere Teil 21 des Einsatzes zwischen den Kolbenbolzenaugen 13 und der Kolbenkrone 10 verläuft.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kolben aus Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine oder einen Kompressor mit einer Kolbenkrone, einem Kolbenmantel und Kolbenbolzenaugen sowie mit an die Innenform des Kolbenmantels angepaßten Einsätzen in Form zweier langgestreckter, zueinander paralleler und in parallelem Abstand voneinander angeordneter Bänder aus Werkstoff mit geringerem Ausdehnungskoeffizienten als das Leichtmetall, wobei die Bänder sich teilweise um den Kolbeninnenraum herum zwischen den Kolbenbolzenaugen erstrecken und zusammen mit dem Leichtmetall des Kolbens ein Bimetallaggregat bilden, das bei der Erwärmung des Kolbens eine Verformung des Kolbenmantels bewirkt, dadurch gekennzeichnet,daß die beiden aus gleichem Werkstoff mit demselben Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehenden Bänder (18, 19) durch ein Verbindungsteil (20) des Einsatzes im Bereich des angrenzenden Kolbenbolzenauges (13) miteinander verbunden sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (20) eines Einsatzes auf der einen Seite eines Kolbenbolzenauges (13) durch ein weiteres Teil (21) des Einsatzes mit dem anderen Verbindungsteil auf der gegenüberliegenden Seite des gleichen Kolbenbolzenauges verbunden ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Kolbenbolzenachse in parallelem Abstand von einer die Kolbenmantelachse enthaltenden Ebene verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz symmetrisch in bezug auf diese Ebene (24) und damit unsymmetrisch bezüglich der Kolbenbolzenachse (23) angeordnet ist.