DE2253961A1

DE2253961A1 - Kolbenbaugruppe

Info

Publication number: DE2253961A1
Application number: DE2253961A
Authority: DE
Inventors: Harry Earl Clary; Harold Cyril Skopin
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1972-03-01
Filing date: 1972-11-03
Publication date: 1973-09-13
Also published as: AU464577B2; DE2253961B2; IT970445B; CA961357A; AU4831072A; JPS526406B2; FR2174482A5; JPS4899513A; US3805677A; BR7208492D0; GB1352290A

Description

TRVi INC., 23 555 Euclid Avenue, Cleveland, Ohio HH 117 / V. St. A.

Unser Zeichen: T 129'4

Kolbenbaugruppe

Die Erfindung betrifft mehrteilige Kolben, bei denen die Kolben in ihrer richtigen Arbeitslage zueinander durch den Kolbenbolzen und die Zylinderbohrung gehalten werden. Der Mantelabschnitt des Kolbens ist mit einem Brückenbauteil ausgerüstet, der aus einem Metall besteht, das einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Metall des Mantelabschnittes.

Es gibt zweiteilige Kolbenausbildungen, bei denen zusammenpassende Mantel- und Kopf ab schnitte verxiendet werden und diese zweiteiligen Ausbildungen weisen bestimmte Vorteile gegenüber einteiligen Kolben auf. Jedes Element hat beispielsweise die Freiheit, sich um den Kolbenbolzen so weit herumzudrehen wie es der Spielraum zwischen der Zylinderbohrung und den Außenumfängen eines jeden der Elemente erlaubt. Hierdurch wird ganz erheblich die Eehlfluchtung des Rindabschnittes des Kolbenkopfes ausgeschaltet, die bei üblichen einteiligen Kolben auftreten kann, wenn Seitenschublasten durch die Winkellage der Pleuelstange übertragen werden. Bei zweiteiligen Kolben können die Kolbenringe eine wirksamere Dichtung aufrechterhalten und dadurch das Durchblasen und den Ölverbrauch vermindern. Das Spiel zwischen dem Mantelabschnitt des zv/eiteiligen Kolbens und der Zylinderbohrung kann geringer sein als es bei üblichen einteiligen Kolben der Fall ist, da Wärme nicht direkt

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vom Kolbenscheitel auf den Mantel übertragen wird, wodurch eine thermische Ausdehnung des Kolbenmantels bewirkt wird.

Die Schwierigkeit bei den bisher bekannten zweiteiligen Kolben lag jedoch in der fehlenden Festigkeit, die erforderlich ist, damit der Kolben den thermischen und mechanischen Belastungen widerstehen kann, die bei Hochleistungsbrennkraftmaschinen auftreten. Weiterhin weisen die bekannten Kolben normalerweise keine ausreichenden Einrichtungen zum Kühlen des Scheitels im Ringabschnitt des Kopfes auf. Es ist ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten zweiteiligen Kolben zu schaffen, bei dem die Schwierigkeiten der bisher bekannten Kolben ausgeschaltet sind.

Die Erfindung betrifft eine Kolbenbaugruppe, die aus einem Mantelabschnitt besteht, der gegenüberliegende Gleitflächen hat und einen getrennten Kopfabschnitt, der einen Scheitel hat und einen Ringabschnitt und Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen, wobei der Mantelabschnitt und der Kopfabschnitt ineinander eingesetzt sind, um eine Kolbenbolzenbohrung zu bilden, die sich sowohl durch den Mantelabschnitt als auch durch den Kopfabschnitt hindurch erstreckt. Ein Brückenbauteil ist vorgesehen, dessen Enden in den gegenüberliegenden Gleitflächen verankert sind, und dieser Brückenbauteil weist.einen mittleren Abschnitt auf, der der Unterseite des Scheitels gegenüberliegt. Dieser Brückenbauteil.hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als der des Mantelabschnittes. Die Randkanten des Mittelabschnittes des Brückenbauteiles sind im Abstand von der Innenseite des Scheitelabschnittes angeordnet und eine oder mehrere öffnungen sind im Brückenbauteil vorgesehen, damit öl in Kontakt mit der Unterseite des Scheitelabschnittes während des Betriebes des Kolbens gelangen kann. Das öl kann um den Brückenbauteil herum bei einer weiteren Bewegung des Kolbens strömen.

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Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens, wobei der Schnitt so gelegt ist, daß man durch die Kolbenbolzenbohrung blicken kann und

Fig. 2 eine Schnittansicht längs einer Ebene, die gegenüber der Schnittebene von Fig. 1 um 90 gedreht ist.

Der erfindungsgemäße Kolben weist zwei Hauptabschnitte auf und zwar einen Kopfabschnitt 10 und einen Mantelabschnitt 11. Der Kopfabschnitt.10 und der Mantelabschnitt 11 bestehen aus einem leichten, wärmeleitenden Metall, wie beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Der Kopfabschnitt 10 weist einen ausgesparten Scheitelabschnitt 12 auf, in dem ein konischer Teil 13 und zviar in der Mitte angeordnet ist, wie es in Kolben von schweren Brennkraftmaschinen üblich ist. Der Kopf 10 weist einen Ringabschnitt 1*1 auf, in dem in üblicher Weise Aufnahmenuten 15 und 16 für Kolbenringe vorgesehen sind. Der oberste Kolbenring kann in einer Nut.17 angeordnet werden, in der ein NutVerstärkungsring 18 angeordnet ist, der aus Gußeisen ο. dgl, besteht. In der US-Patentschrift 3 ^30 969 ist ausgeführt, daß ein derartiger Verstärkungsring in einer Umfangsnut I9 mit'festem mechanischem Sitz angeordnet werden kann, wobei die Verbindung zwischen dem Verstärkungsring 18 und der Nut 19 im wesentlichen frei von einer metallurgischen Bindung ist. Der Verstärkungsring 18 kann nicht planare gegenüberliegende Oberflächen aufweisen, die erhabene Abschnitte haben und es kann ein Verhältnis'von Fläche zu Gewicht vorliegen von wenigstens 60 Quadratzoll Ringfläche in Kontakt mit dem Kolben pro englischem Pfund Kolbengewicht.'Hierdurch wird der Temperaturunterschied zwischen dem Verstärkungsring 18 und dem Kolben selbst im Betrieb herabgesetzt.

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Der Scheitelabschnitt des Kolbenkopfes weist eine nach oben gewölbte Unterseite 20 auf. Der Kolbenkopf weist ferner einen nach unten sich erstreckenden Abschnitt 21 auf, durch den hindurch ein Teil der Kolbenbolzenbohrung 23 ausgebildet ist.

Der Mantelabschnitt 11 weist einen Mantel 23 auf und eine Kolbenbolzenbohrung 2¹I, die koaxial zur Kolbenbolzenbohrung 22 des Kopfabschnittes verläuft, wenn der Kopf und der Mantelabschnitt ineinander eingesetzt sind, wie es in den Pig. I und 2 gezeigt ist. rtuten 25 und 26 sind in der Kolbenbolzenbohrung; 2k vorgesehen, welche die nicht dargestellten Verwicklungsringe für den Kolbenbolzen aufnehmen.

Eine Umfangsnut 27 ist zwischen dem Kopfabschnitt 10 und dorn Kantelabschnitt 11 vorgesehen und ferner ist zwischen diesen Teilen ein Zwischenraum 29 vorgesehen und diese nehmen eine Relativbewegung zwischen den beiden Teilen auf. Ein Kanal 30 ist vorgesehen, der zum Austritt von öl dient, das von der Zylinderwandung durch die Kolbenringe abgestreift wird. Das öl gelangt in die ölwanne der Brennkraftmaschine und zwar durch den Zwischenraum hindurch, der zwischen den beiden Teilen des Kolbens vorgesehen ist.

Gemäß der Erfindung ist ein Brückenteil 31. vorgesehen und dieser Brückenteil weist einen nach oben gewölbten mittleren Abschnitt 32 auf und zwei nach oben sich erstreckende Planschabschnitte und 3^> die in Fig. 2 zu erkennen sind. Der Brückenteil 31 besteht aus Stahl oder einem anderen Material, welches einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der geringer ist als der der Aluminiumlegierung, aus dem der Kopf und der Mantel bestehen. Die Enden des Brückenteiles 31 sind mit Fingern 35 versehen, um die Verankerung der Enden des Brückenteiles 31 im Metall des Mantelabschnittes 11 zu erleichtern. Diese Verankerung erfolgt in der Nähe der Gleitflächen 36 und 37. Die Finger 35 werden dadurch gehalten, daß der Mantel um diese Finger herum gegossen. Der Brücken-

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bauteil 31 weist eine oder mehrere öffnungen 38 auf, so daß bei jedem Abwärtshub des Kolbens öl in eine Kühlkammer 39 eintreten kann, die zwischen der Oberseite des Brückenbauteiles und der Unterseite 20 des Scheitelabschnittes des Kolbenkopfes vorgesehen ist. Bei jedem Abwärtshub des Kolbens tritt Öl in die Kammer 39 ein und wird gegen die untere Seite des Kolbenkopfes geschleudert. Bei jedem Aufwärtshub des Kolbens tritt das Öl, welches Wärme vom Kolbenscheitei aufgenommen hat, durch die Zwischenräume 40 aus, die zwischen den nach oben umgebogenen mittleren Flanschabschnitten 33 und 3²J und den gegenüberliegenden Seitenwandungen des Kolbenkopfes vorhanden sind. ' ."" ';

Der Brückenbauteil.31 * der einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Aluminiumkolben aufweist, begrenzt die Größe der thermischen Ausdehnung des Kolbenmantels aus Aluminium. Der verminderte Mantelspielraum, der auf diese Weise ermöglicht wird, vermindert das Geräusch, das erzeugt wird, wenn die Oberseite des Mantels alternierende Seiten der Zylinderbohrung berührt, wenn die Seitenschublasten ihre Richtung umkehren. Der verminderte Mantelspielraum verringert auch die Gravitationserosionen, die am äußeren Umfang von nassen Zylinderauskleidungen auftreten, wie sie in schweren Brennkraftmaschinen verwendet werden. ' ·'" ■

Der Brückenbauteil 31 vergrößert die Festigkeit an der Oberseite des Mantels und ermöglicht die Aufnahme der Seitenschublasten, wie sie in Brennkraftmaschinen auftreten, ohne daß ein Ausfall stattfindet oder daß eine übermäßige Verbiegung oder Auslenkung erfolgt.

Beim erfindungsgemäßen Kolben werden der Kopfabschnitt und der Mantelabschnitt in ihrer richtigen Arbeitslage in Bezug aufeinander durch den Kolbenbolzen und die Zylinderbohrung gehalten. Jedes Element ist jedoch frei, sich um den Kolbenbolzen in dem Ausmaß zu drehen, der durch den Spielraum zwischen der Zylinder- · bohrung und den äußeren Umfangen eines jeden der Elemente vor-

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handen ist. Dadurch wird ganz erheblich die axiale Fehlfluchtung des Ringabschnittes des Kolbenkopfes vermindert, die bei üblichen einteiligen Kolben auftritt, und es wird ermöglicht, daß die Kolbenringe eine wirksamere Dichtung aufrechterhalten und hierdurch . werden das Durchblasen und der Ölverbrauch vermindert. Das Vorhandensein des Brückenbauteiles ergibt ferner die Festigkeit, die erforderlich ist, um den Seitenschublasten zu widerstehen und ferner kann durch diesen Brückenbauteil an der Oberseite des Mantels die thermische Ausdehnung beherrscht werden, wobei eine zusätzliche Festigkeit erzielt wird.

Es können Abänderungen vorgenommen werden, die im Rahmen der Erfindung liegen.

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Claims

- 7 Patentansprüche

1/ Kolbenbaugruppe, gekennzeichnet durch einen Mantelabschnitt, der gegenüberliegende Gleitflächen aufweist, einen Kopfabschnitt, der einen Scheitel hat und Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen, wobei der Mantelabschnitt und der Kopfabschnitt in eine ausgefluchtete Lage gebracht sind, um eine Kolbenbolzenbohrung zu bilden, die sich durch diese Teile hindurcherstreckt und wobei ein Brückenbauteil vorgesehen ist, dessen Enden in den gegenüberliegenden Schub- oder Gleitflächen gelagert sind, wobei dieser Brüekenbauteil einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der des Mantelabschnittes.
2. Kolbenbaugruppe.nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt aus einer Aluminiumlegierung besteht und daß der Brückenbauteil aus Stahl besteht.
3. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenbauteil eine Öffnung aufweist, die es ermöglicht, daß öl gegen die Unterseite des Scheitelabschnittes des Kolbenkopfes strömen kann.
4. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenbauteil einen mittleren Abschnitt aufweist, der nach oben sich erstreckende Flansche hat, wobei die kanten des Brückenbauteiles vom Kopf im Abstand angeordnet sind, damit Öl vom Scheitelabschnitt um den Brückenbauteil herum strömen kann.
5. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, .dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Brückenbauteiles Pingerabschnitte aufweisen, die im Metall der Gleitflächen eingebettet sind.
6. Kolbenbaugruppe, gekennzeichnet durch einen Mantelabschnitt, der zwei gegenüberliegende Gleit flächen hat, einen getrennten Kopfabschnitt, der einen Scheitel hat und der Nuten zur Aufnahme von

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Kolbenringen hat, wobei der Mantelabschnitt und der Kopfabschnitt ineinander eingesetzt sind, um eine Kolbenbolzenbohrung zu bilden, die sich sowohl durch den Mantelabschnitt als auch durch den Kopfabschnitt hindurch erstreckt und wobei ein Brückenbauteil vorgesehen ist, dessen Enden in den gegenüberliegenden Gleitflächen verankert sind und wobei dieser Brückenbauteil einen Mittelabschnitt aufweist, der der Unterseite des Scheitelabsehnittes gegenüberliegt und wobei dieser Brückenbauteil einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der geringer ist als der des Mantelabschnittes.
7. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brückenbauteil eine Öffnung aufweist, durch die öl zu der Unterseite hin geleitet wird.
8. Kolbcnbaugruppe nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Randkanten des Brückenbauteiles im Abstand von den Innenwandungen des Scheitelabschnittes des Kopfes angeordnet sind, damit öl von der Unterseite um den Brückenbauteil herum strömen kann.
9. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet» daß der Mantelabschnitt und der Kopfabschnitt aus einer Aluminiumlegierung bestehen und daß der Brückenbauteil aus Stahl besteht.

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