DE2407788A1

DE2407788A1 - Hubkolben

Info

Publication number: DE2407788A1
Application number: DE19742407788
Authority: DE
Inventors: Michael Ledsham Price Rhodes
Original assignee: Associated Engineering Ltd
Current assignee: Associated Engineering Ltd
Priority date: 1973-02-22
Filing date: 1974-02-19
Publication date: 1974-09-05
Also published as: FR2219346B3; JPS5024652A; FR2219346A1; ZA74945B; JPS5025151A

Description

Patentanwalt· Dr. Hugo Wilckeft

Dipl.-Ing. Thomas Wilckeft ι ο r_ftt. Dlpl-Chem. Dr. Wolfgang Lauft» ' °' ^ΓΒ0' _n „ - _{Q Q}

84 LOtMCk₁ Br.it· StraS· 62-64 £. H U / / ö O

Anmelder:

Associated Engineering Limited, 60, Kenilworth Road, Leamington Spa, Warwickshire, England

Hubkolben

Die Erfindung betrifft einen Hubkolben für einen Zylinder, wie er in Brennkraftmaschinen, Kompressoren oder Pumpen vorhanden ist.

Nach der vorliegenden Erfindung besteht der Kolben aus der Kolbenk rone bzw. dem Kolbenboden, wenigstens einer Kolbenbolzennabe und einem mit der Krone integral zusammenhängenden Kolbenringträgerteil und zwei gesondert bzw. getrennt angeordneten kolbenstabilisierenden Segmente, wobei jedes Segment eine mit der Zylinderbohrung in Eingriff stehende Oberfläche aufweist, die sich in Bezug auf den Kolben in Umfangsrichtung und Längsrichtung erstreckt, und wobei sie Segmente auf sich gegenüberliegenden Seiten der Achse einer Bohrung in der Kolbenbolzennake, welche den Kolbenbolzen aufnimmt, angeordnet und durch Schlitze von dem Kolbenringträgerteil getrennt sind und wobei die Segmente integral mit der Kolbenbolzennabe durch Streben verbunden sind, die in Bezug auf die Achse der Kolbenbolzennabe symmetrisch angeordnet sind.

Vorzugsweise schließt der Kolben zwei Kolbenboleennaben mit je einer Nabenbohrung ein, wobei die Bohrungen der Naben eine gemeinsame Achse aufweisen, z. B. eine gemeinsame diametrale Achse,

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und ferner kann der gesmate Kolben in Bezug auf eine zu dieser Achse und der Kolbenlängsachse parallel liegende oder diese Achsen einschließende Ebene symmetrisch aufgebaut sein. Dadurch wird die Steifheit des Segmentes auf der Druckfläche gleich sein mit der Steifheit des gegenüberliegenden Segmentes an dessen Nichtdruckfläche. In diesem Fall ist jedes kolbenstabilisierendes Segment mit einem Paar Streben integral verbunden, und jede Strebe ist andererseits mit einer der Kolbenbolzennabe integral verbunden, wobei die Streben jedes Paares im allgemeinen parallel zueinander und zu der Druckachse des Kolbens, das heißt derjenigen diametralen Achse, die normal zur Achse der Kolbenbolzennaben verläuft, parallel angeordnet 3ein können oder alternativ können die Streben jedes Paares in Bezug zueinander und auf die Druckachse in einer Richtung konvergieren, die von den Kolbenbolzennaben weggerichtet ist.

Die Streben sind vorzugsweise mit den radial inneren Enden der Kolbenbolzennaben oder angrenzend an diese Enden mit den Naben verbunden und sind andererseits mit Bereichen der kolbenstabilisierenden Segmente verbunden, die relativ nahe an der Druckachse liegen, daß heißt mit diesen Bereichen derart, daß die Enden der Segmente von ihren entsprechenden Strebenpaaren freihängend bzw. vorkragend angeordnet sind, und überdies sind die Streben im wesentlichen vorzugsweise geradlinig ausgebildet. Der Schlitz, der zwischen jedem Segment und dem Kolbenringträgerteil vorgesehen und durch jsles Segment mit Abstand gebildet wird, kann mit einer sich umfangsmäßig erstreckenden Kolbenringnut verbunden

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sein bzw. zusammenfallen.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachstehend anhand mehrerer in den anliegenden Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 und 2 Längsschnitte durch eine erste Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung in Ebenen, die durch die Druckachse des Kolbens und durch die Bohrungsachse der Kolbenbolzennaben verlaufen, wobei die Ebenen mit den Linie I-I der Figur 2 und II-II der Figur angedeutet sind,

Fig· 3 und Ί Seitenansichten des Kolbens nach* den Figuren

1 und 2, gesehen in Richtung der Nabenbohrungsachse und der Druckachse,

Fig. 5 eine Untenansicht auf den Kolben nach den Figuren 1 bis 4,

Fig. 6 und 7 Querschnitte nach den Linien VI-VI und VII-VII nach Figur 3,

Fig. .8 bis 14, 15 bis 21 und 22 bis 28

Ansichten entsprechend denen der Figuren 1 bis 7 einer zweiten, dritten und vierten Ausführungsform eines Kolbens nach der Erfindung.

Die in den anliegenden Zeichnungen dargestellten verschiedenen Kolben bestehen alle aus einem monometallenen Blockgußkolben, daß heißt, sie sind aus nur.einem Metall oder einer Metallegierung in einem Stück gegossen. Das Metall kann z. B. aus einer Leichtmetallegierung» ζ· B. einer Aluminiumlegierung,oder aus einer

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geeigneten Legierung bestehen, die unter der englichen Bezeichnung BS 1490 LM. 13 WP. bekannt ist.

Jeder der verschiedenen Kolben umfaßt grundsätzlich eine Kolbenkrone bzw. einen Kolbenboden 1, einen davon herabhängenden ringförmigen Kolbenringnutträgerteil 2, der mit Kolbenringnuten 3 und 3a versehen ist, und wenigstens einer, vorteilhaft jedoch zwei Kolbenbolzennaben 4 mit Bohrungen ²Ib zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, wobei die Naben 4 direkt mit der Unterseite des Kolbenbodens 1 durch einen festen, quer zum Kolben verlaufenden Metallabschnitt verbunden ist, wobei die Querschnittsfläche der Abschnitte der Querschnittsfläche der Naben gleicht.

Anstelle eines tradionellen Kolbenschaftes ist beim Kolben nach der Erfindung ein Paar gesondert bzw. getrennt ausgebildeter, umfangsmäßig mit Abstand voneinander angeordneter und ungeschlitzter kolhenstabilisierender, daß heißt den Kolben während seiner Hubbewegungen stabilisierender Gleitschuhe oder Segmente 5a und 5b vorgesehen. Die Segmente 5a und 5b sind nicht direkt mit dem Kolbenringträger 2 verbunden, sondern stehen nur mit den Kolbenbolzennaben 4 in Verbindung, und zwar unabhängig voneinander über starre Strebenpaare 8a und 8b. Diese Streben beginnen einerseits von den Naben 4, und zwar von deren inneren radialen Enden Ha. oder angrenzend an diese Naben, und sind andererseits mit den Segmenten 5a und 5b an Bereichen verbunden, die symmetrisch mit Abstand von jeder Seite der Druckachse T des Kolbens (Figur 5) vorgesehen sind, wobei die Achse T diametral verläuft

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und zu der diametralen Achse D, daß heißt der gemeinsamen Achse der Bohrungen 4b der Kolbenbolzennaben ¹I, senkrecht steht. Die Segmente 5a, 5b sind durch einen im Kolbenumfang liegenden Spalt von den Kolbenbolzennaben ¹I und voneinander getrennt. Diese Segmente sind auch axial, daß heißt, in Richtung der Längsachse L des Kolbens, von der Kolbenkrone 1 und dem Trägerteil 2 getrennt, und die äußeren Oberflächen der Segmente bilden die sich diametral gegenüberliegenden Druckflächen des Kolbens, die gleitend gegen die Zylinderbohrung anliegen, wenn der Kolben darin angeordnet ist und läuft. Dadurch wird der Kolben stabilisiert, und zwar durch Minimierung seiner Kippbewegungen um die Achse D der Kolbenbolzenbohrung und durch Reduzieren der Querbewegung des Kolbens im Vergleich zu einer Querbewegung, die in konventionellen Kolben gemäß der Verbiegung des belasteten Kolbenschaftes möglich ist. Es ist klar, daß der Anlagebereich der Oberflächen der Segmente 5a und 5b klein ist im Vergleich zu Kolbenschäften üblicher Kolben, und insbesondere ist der Anlagebereich jeder Oberfläche ein Minimum bei gleichbleibender Laufstabilität und zulässiger Anlagedruckbelastung des Kolbens, wodurch die Kolbenmasse minimiert ist. Die Kombination der ümfangsmäßigen Form, der Abstützmethode und der Biegesteifheit der Segmente 5a und 5b sichert, daß die Anlagefläche der Segmente in der Zylinderbohrung progressiv zunimmt, wenn sich die quergerichtete Druckbelastung des Kolbens erhöht.

Die oberen Kanten der Segmente 5a und 5b und die untere Kante (wie die Figuren zeigen) des Ringträgerteiles 2 weisen einen axialen Abstand voneinander auf, um einen sich umfangsmäßig er-

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streckenden Schlitz 6 zu bilden, der im Bereich der beiden Segmente 5a,5b mit der Ringnut 3a verbunden ist bzw. zusammenfällt, die einen Abstreif- oder ölsteuerring aufnimmt.

Die Segmente 5a und 5b und die Strebenpaare 8a und 8b sind zueinander spiegelbildlich ausgebildet, und der Kolben ist in Bezug auf eine Ebene, die durch die Längsachse L des Kolbens und durch die diametrale Achse D der Kolbenbohrung ¹Ib verläuft, symmetrisch ausgebildet. Es sei betont, daß die Enden der Segmente 5a und 5b, die entfernt vom Kolbenboden 1 liegen, von ihren entsprechenden Strebenpaaren 8a und 8b frei auslaufend bzw. frei vorkragend enden.

Wie überdies aus dem Querschnitt der Figur 6 hervorgeht, sind die Segmente 5a und 5b durch dieStreben 8a und 8b in Nähe ihrer zentralen Druckachse (T in Figur 5) abgestützt und kragen usinfangsmäßig in jederRiehtung über eine beträchtliche Strecke vor, um Teile vorzusehen, die relativ flexibel sind, um sich an die Form der Zylinderbohrung anpassen zu können, wenn sich der Kolben aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt.

Es werden nun nachstehend die Unterschiede zwischen den zeichnerisch dargestellten und verschieden ausgebildeten Ausführungformen des Kolbens nach der Erfindung beschrieben.

Zunächst wird noch einmal auf die vorstehend beschriebene, erste Ausführungsform des in Figuren 1 bis 7 dargestellten Kolbens Bezug genommen, und es ist ersichtlich, daß die Streben 8a und 8b

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zueinander und in Bezug auf die Achse T in Figur 5 parallel verlaufend ausgebildet? sind. Die oberen Kanten der beiden Streben sind von der Unterseite des Kolbenbodens durch Zwischenräume 9 (Figur 9) weit getrennt, so daß lediglich über die Kolbenbolzennaben k eine Verbindung zwischen den Streben und der Kolbenkrone gegeben ist. In dieser ersten Ausfuhrungsform erstrecken sich die Kolbenbolzennaben radial auswärts in Bereiche, die an den Kolbenumfang angrenzen, und die Seitenkantender Segmente 5a und 5b sind auf den gegenüberliegenden Seiten der äußeren Enden der Naben umfangamäßig voneinander getrennt.

Die in den Figuren 8 bis I¹I gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich yon der ersten Ausführungsform darin, daß die Streben jedes Paares 8a und 8b von den inneren Enden 4a der Naben oder von hieran angrenzenden Stellen in Richtung der Segmente 5a und 5b konvergieren, und zwar symmetrisch in Bezug auf die Längsebene, durch die auch die Achse der Kolbenbolzenbohrungen verläuft. Zusätzlich sind die Streben von der Kolbenkrone durch Schlitze IO wirksam getrennt, wobei die Schlitze 10 mit der Ringnut 3a vorteilhaft fluchten und sich einwärts bis an die Kolbenbolzennaben erstrecken.

Die in den Figuren 15 bis 21 gezeigte Ausführungform wendet denselben Strebenaufbau an wie das erste Ausführungsbeispiel, jedoch sind die Abmessungen jeder Kolbenbolzennaben ¹J in dis&em dritten Ausführungsbeispiel derart, daß die Länge und der Durchmesser der zugehörigen Kolbenbolzenbohrung reduziert sind gemäß der

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Länge und dem Durchmesser des hierfür verwendeten Kolbenbolzens. Folglich sind die Vermische und mechanische Verformung der Naben reduziert, wodurch die Druckverteilung zwischen dem Kolben und dem Kolbenbolzen im Kolbenbetrieb verbessert sind und wodurch ein relativ leichtgewichtiger Kolben und eine leichtgewichtige Kolbenbolzenanordnung geschaffen sind.

Der in den Figuren 22 bis 28 gezeigte Kolben wendet denselben Strebenaufbau an wie das zweite Ausführungsbeispiel und dieselhe · Kolbenbolzennabenkonstruktion wie das dritte Ausführungsbeispiel.

Die besondere Gestaltung der integralen Komponenten ermöglicht ein minimales Kolbengewicht, während seine Festigkeit und Steifheit erhöht ist. Die Wärme von der Kolbenkrone kann noch wirksam von den Segmenten abgeleitet werden, wobei die Wärme von der Krone zu den Segmenten nur von den Kolbenbolzennaben und den St'reben.r geiLeitet wird.

Da die Segmente nicht mit dem Kolbenboden und dem Kolbenringträgerteil verbunden sind, kann die Wirkung von Abmessungsänderungeh der Krone oder des Kolbenringträgerteiles auf die Segmente minimiert werden, so daß den Druckflächen der Segmente eine Form gegeben werden kann, die, im Querschnitt betrachtet, noch näher der Kreisform nahekommt als das bei den Kolbenschäften üblicher Kolben der Fall ist, und ferner kann das normaler Weise zwischen den Druckflächen und der Zylinderbohrung vorgesehene Spiel'rediziert werden. Da die Segmente weiter unabhängig vonein-

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ander an den Kolbenbolzennaben befestigt sind, üben sie nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluß aufeinander bei Belastung aus.

Der Kolben ist monometallmäßig hergestellt, daß heißt er besteht aus einem einzigen Metall oder einzigen Metallegierung und benötigt keine eingebetteten Stützen oder Streben, die aus einem anderen Metall bestehen.

Die symmetrisch? Geometrie des Kolbens vereinfacht zusätzlich die Hebstellung des Kolbens, und die Verwendung kleiner kolbenstabilisierender Segmente und leichtgewichtiger Kolbenbolzennaben, wie sie in den Figuren 15 bs 28 dargestellt sind, ergeben klar erkennbare Vorteile.

Es ist klar, daß verschiedene Modifikationen vorgenommen werden könnnen, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können die Streben an ihren zugehörigen Kolbenbolzennaben an Positionen befestigt sein,die einen Abstand von den radialen inneren

von
Enden der Naben oder /an diese Enden angrenzende! Bereiche aufweisen.

Die untere oder Abstreifringnut kann vollständig in dem Ringträgerteil ausgebildet sein, anstatt daß sie teilweise durch die kolbenstabilisierenden Segmente gebildet sind. Die in der zweiten und vierten Ausführungsform gezeigten konvergierenden Streben können wirksam von der Unterseite der Kolbenkrone durch eingegossene Zwischenräume 9 getrennt werden, wie es mit Bezug auf die

Streben
parallelen/der ersten und dritten Ausfü.hrungsform beschrieben ist,

und gleichzeitig können die parallelen Streben der ersten und dritten Ausführungsform durch maschinell hergestellte Schlitze

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von der Unterseite der Kolbenkrone wirksam getrennt werden, wie es mit Bezug auf die zweite und vierte Ausführungsform beschrieben ist.

Um eine sich · progressiv vergrößernde, gegen die Zylinderbdrung zur Anlage kommende Kontaktfläche der Segmente zu erzielen, wenn sich die Druckbelastung erhöht und wenn die konvergente Strebenkonstruktion der ersten und zweiten Ausführungsform angewendet wird, kann jedes Segment, anstatt daß es ovale oder eliptische Form aufweist, wie es bei konventionellen Kolbenschäften üblich ist, eine Form aufweisen, die von der Kreisform insofern abweicht, daß gleiche raaxiamle Abmessungen bei 45° auf jeder Seite der Druckflächen gegeben sind und daß gleiche minimale Abmessungen bei oder im Bereich von 90° zur Druckfläche gegeben sind. Eine solche Form kann ebenfalls dazu dienen, die Laufgeräusche des Kolbens zu reduzieren.

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Claims

Dr. Hugo Wilckeft t>ip!.-lng. Thomas Wilcktfh 1 8. Fob. J97# DlpUChem. Dr. Wolfgang Lauf* «41* 2407788 24 LObaek, Brclt« Sir·»· β2»64 Anmelder: Associated Engineering Limited, 60, Kenilworth Road, Leamington Spa, Warwickshire, England, Ansprüche

1. Kolben mit einer Kolbenkrone, einem mit dieser verbundenen Kolbenringträgerteil und wenigstens einer Kolbenbolzennabe, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei gesonderte, kolbenstabilisierende Segmente (5a ;5b) mit Je einer äußeren mit einer Zylinderbohrung in Eingriff bringbaren, sich in Bezug auf den Kolben in dessen Umfangs- und Längsrichtung erstreckenden Oberfläche umfaßt, daß die Segmente auf gegenüberliegenden Selten der Achse (D) einer in der Kolbenbolzennabe (*0 vorgesehenen, einen Kolbenbolzen aufnehmenden Bohrung (4b) angeordnet und vom Ringträgerteil (2) durch Schlitze (6) getrennt sind und daß die Segmente mit der Kolbenbolzennabe durch zur Nabenbohrungsachse symmetrisch angeordnete i Streben (8) integral verbunden sind.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Kolbenbolzennaben mit je einer auf einer gemeinsamen Achse liegenden Bohrung umfaßt, daß jedes kolbenstabilisierende Element mit einem Strebenpaar ein Teil bildet, wobei jede Strebe jedes Strebenpaares mit der zugehörigen Kolbenbolzennabe integral verbunden ist, und daß der gesamte Kolben zu einer parallel zur gemeinsamen

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Achse und der Kolbenlängsachse oder durch diese Achsen verlaufenden Ebene symmetrisch ausgebildet igt.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben jedes Paares im allgemeinen zueinander oder zu einer diametralen Achse parallel verlaufen, welch' letztere zur gemeinsamen Achse der Kolbenbolzennabenbbhrungen- normal verläuft.

4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben jedes Paares zueinander und in Bezug auf eine normal zur gemeinsamen Achse der Kolbenbolzennabenbohrungen verlaufenden diametralen Achse konvergent verlaufen in einer Richtung, die von den Kolbenbolzennaben weggerichtet ist.

5. Kolben nach den Ansprüche^, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben mit den radial*, .inneren Enden der Kolbenbolzennaben verbunden sind, daß sie andererseits mit den kolbenstabilisierenden Segmenten in Bereichen derart verbunden sind, daß die Enden der Segmente von ihren entsprechenden Strebenpaaren frei vorkragen.

6. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben im wesentlichen geradlinig verlaufend ausgebildet sind.

7. Kolben nach einem odermehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Segmente vom Kolbenringträgerteil trennenden Schlitze ,mit einer sich umfangsmäßig erstreckenden

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Kolbenringnut zusammenfallen.

8. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem monometallenen Blockgußstück aus einer Leichtmetallegierung besteht«

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