DE2458444A1

DE2458444A1 - Kolben-zylinderanordnung mit verminderter vibration

Info

Publication number: DE2458444A1
Application number: DE19742458444
Authority: DE
Inventors: Harry E Harker
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1973-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1975-06-12
Also published as: NL173088C; DE2458444C2; SE7415367L; FR2253924B1; SE412102B; FR2253924A1; BR7410293D0; CA1014027A; IN143917B; GB1450304A; ES432315A1; AU475665B2; AU7613174A; IT1026886B; JPS5430051B2; US3906923A; NL7416029A; JPS5089745A

Description

PATENTANWÄLTE 24584 A DIPL-ING. LEO FLEUCKAJS DIPL-ING. ERNST RATHMANN DR.-ING. HANS LEYH MÜNCHEN BAD HOMBURG

$MONCHEN 71, den 9. Dez. 1974

MelchiorstraBe 42

Telefon: (089) 792800

Telegramm: TRANSMARKPATENT MÖNCHEN

Ihr Zeichen: Your reference:

Unser Zeichen: Our reference:

Cummins Engine Company, Inc. Columbus, Indiana 47201, USA

'Kolben-Zylinderanordnung mit verminderter

Vibration"

Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinderanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem länglichen in einem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben, der einen Kolbenboden sowie einen hiermit einstückigen, vom Kolbenboden herabhängenden und ihn begrenzenden länglichen Kolbenschaft aufweist, welcher in einem äußeren Bereich einem Seitendruck ausgesetzt ist.

Bei Kolbenbrennkraftmaschinen treten bislang infolge einer wesentlichen seitlichen Verschiebung des Kolbens starke

Ho/cm 509824/0727 Vibrationen

Deutsche Bank München 73/09222 - Dresdner Bank München 6606532 - PosUchnckamt München 148969-809 Gerichtsstand und Erfüllungsort München

A3OP-1251

Vibrationen auf; diese seitliche Verschiebung rührt von einer während des Maschinenbetriebs auftretenden seitlichen Belastung des Kolbens her. Diese Vibrationen sind stets ein Problem gewesen! und führen zu:

(a) übermäßiger Abnutzung der Kolben- und Zylinderteile, was ein häufiges Auswechseln dieser Teile sowie maßlose Ausfallzeit für Wartung und Service erforderlich macht;

(b) Velust an Maschiinenleistung; und

(c) Erzeugung eines unerwünschten Geräuschpegels während des Maschinenbetriebs.

Zur Vermeidung dieser Probleme wurden verschiedene abnutzungsbeständige Beschichtungen auf dem Kolben und/oder der inneren oder äußeren Oberfläche des Zylinders oder beiden angebracht. In anderen Fällen wurden der Kolben und der Zylinder sorgfältig hergestellt, um im zusammengesetzten Zustand genauer zusammenzupassen. In anderen Fällen wurden Einsätze, Bänder oder Verschleißkissen verschiedener Formen und Größen an zahlreichen Stellen auf dem Äußeren des Kolbens angeordnet. Aus einem, oder mehreren der folgenden Gründe hat sich keiner dieser Versuche zur Überwindung der erwähnten Probleme als wirksam erwiesen.

(1) Die Beschichtungen hatten keinen Einfluß auf die Kavitation der Zylinderlaufbuchse, verminderten den Geräuschpegel nicht und waren teuer, schwierig anzubringen und besaßen außerdem schwache Hafteigenschaften, wenn sie den beim Betrieb einer Hochgeschwindigkeitsmaschine gewöhnlich auftretenden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wurden;

- 2 - das

509824/0727

A3OP-1251

(2) das sorgfältige Herstellen der Maschinenkomponenten war zu teuer und in vielen Fällen deshalb wirkungslos, da Toleranzen erforderlich waren, um die Unterschiede der thermischen Ausdehungen der Kolbenkomponenten während des Maschinenbetriebs zu kompensieren;

(3) die Einsätze, Bänder oder Verschleißkissen waren schwierig zu installieren und auszuwechseln, führten häufig zu einer Entstellung der Kolbenoberfläche und erforderten eine spezielle Formgebung oder Bearbeitung der Einsätze, Bänder oder Verschleißkissen, nachdem diese am Kolbenäußeren installiert waren;

(4) es konnte nicht genügend Verschleißmaterial geeignet auf dem Kolbenäußeren ausgerichtet werden, um eine beständige und erhebliche Kavitationssteuerung zu schaffen; und

(5) das Versäumnis der Schaffung eines ausreichenden Spiels für die thermische Ausdehnung der Kolbenkomponenten führte zu einem Abscheuern des Kolbens, des Kolbenrings und der Laufbuchse.

Bei Dieselmaschinen großer Leistung werden beispielsweise normalerweise Zylinderlaufbüchsen verwendet, wobei es üblich ist, daß nur ein Ende der Laufbuchsen fest am Maschinenblock befestigt ist, während der Rest der Laufbuchse im wesentlichen ohne Stütze ist. Mehrere Dichtringe umschließen angrenzend an das ungestützte Ende der Laufbuchse einen Teil dieser Buchse und berühren ein angrenzendes Segment der im Maschinenblock zur Aufnahme der Laufbuchse ausgebildeten Bohrung. Das Äußere der Laufbuchse, das angrenzende Segment der Bohrung im Maschinenblock und die Dichtringe bilden zusammen eine schmale

5 0-9 8"2^ /0 7 2 7 Kammer

24584A4

A3OP-1251

Kammer oder Hülse für flüssiges Kühlmittel. Bei einer solchen Konstruktion erfolgt eine Verstärkung der infolge der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens auf die Laufbuchse einwirkenden Vibrationskräfte, was wiederum zahlreiche schwierige Probleme, wie etwa eine übermäßige und beschleunigte Kavitation der dem flüssigen Kühlmittel ausgesetzten äußeren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse nach sich zieht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kolbenzylinderkonstruktion zu schaffen, die nicht mit den erwähnten Problemen behaftet ist und bei der die Kavitation der vom Kühlmittel umspülten Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse merklich reduziert ist, so daß die Abnutzung der Laufbuch- ⁱ se und zusammenhängender Teile deutlich geringer ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kolben-Zylinderanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinderkonstruktion wird die Vibration zwischen dem Kolben und der Zylinderwand dadurch minimal und der während der Betätigung des Kolbens erzeugte Lärm stark dadurch reduziert, daß auf dem Kolben ein Einsatz angeordnet ist, der sich in ständigem Gleiteingriff mit der Zylinderwand befindet. Der Einsatz kann dennoch ohne Werkzeuge installiert und vom Kolbenäußeren entfernt werden und führt nicht.zu einer Entstellung der Kolbenoberfläche. Der Einsatz kann außerdem auf dem Kolben angebracht oder von diesem entfernt werden, ohne daß der Kolben und der Zylinder vollständig auseinandergenommen werden müßten.

Der entfernbare Kolbeneinsatz paßt sich im wesentlichen

- 4 - außerdem

509824/0727

A3OP-1251

außerdem ohne Verlust an Geschlossenheit (integrity) an die Form der Zylinderwand an, wenn der Kolben und der Zylinder für den Betrieb zusammengesetzt sind und behält seine Geschlossenheit bzw. Einheitlichkeit und ist im wesentlichen anpaßbar, wenn er den beim normalen Betrieb der Maschine auftretenden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird. Der erfindungsgemäße Kolbeneinsatz kann genau ausgebildet werden, während er vom Kolben getrennt ist. Er besitzt eine einfache geometrische Form und paßt in einen Schlitz, der mittels einer einfachen herkömmlichen Bearbeitungsmethode an der Außenseite des Kolbens ausgebildet ist. Dieser Schlitz nimmt den vorgeformten Einsatz auf und hält ihn in einer relativ festen Lage, wenn der Kolben und der Zylinder zusammengesetzt sind. Der auf dem Kolben angeordnete Einsatz stört nicht den Einbau und den Betrieb anderer Kolbenteile, wie Kolbenringe, Pleuel, etc. Der erfindungsgemäße austauschbare Kolbeneinsatz kann außerdem mit einem solchen Profil hergestellt werden, daß er auf Kolben mit in einem weiten Bereich unterschiedlicher Größe und Form angeordnet werden kann.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist im Seitendruckbereich der freiliegenden Oberfläche des herabhängenden Kolbenschafts des Kolbens einer Brennkraftmaschine mit einem Kolben und einer Zylinderlaufbuchse ein Schlitz ausgebildet. Der Schlitz ist von hinterschnittenen geschlossenen Ober- und Unterkanten und gegenüberliegenden offenen Seiten begrenzt. Innerhalb des Schlitzes ist ein Einsatz angeordnet, der in dem Schlitz in einer im wesentlichen fixierten Lage bleibt, wenn der Kolben und die Zylinderlaufbuchse für den Betrieb zusammengesetzt sind. Der Einsatz kann, ohne daß Werkzeuge erforderlich wären, in dem Schlitz angeordnet oder aus ihm entfernt werden, wenn der Kolben relativ zur Wand der Zylinderlaufbuchse eine Stellung einnimmt, bei der die offenen Seiten des Schlitzes außerhalb dieser Wand liegen, bzw. die offenen Seiten des Schlitzes nicht der Zy-

- 5 - linderlaufbuchsen

509824/0727

A3OP-1251

linderlaufbuchsenwand gegenüberliegen. Der Einsatz hat ohne Verlust an Geschlossenheit eine erhebliche Anpassungsfähigkeit und ist in ständigem Gleiteingriff mit der Wand der Laufbuchse, wodurch die Vibration von Kolben und Zylinderlaufbuchse minimal wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Ansicht einer Form der verbesserten Kolben- und Einsatzanordnung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht der verbesserten Kolben- und Einsatzanordnung von Fig. 1 und eine Zylinderlaufbuchse als Teil einer Brennkraftmaschine, wobei der Schnitt längs der Zylinderlaufbuchse und senkrecht zum den Pleuel und den Kolbenkopf verbindenen Kolbenbolzen verläuft,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kolbens von Fig. 1, aus der die Form der offenen Seiten der Schlitze erkennbar ist, aus denen die Einsätze entfernt wurden,

Fig. 4 Vorder-, Seiten- bzw. Draufsichten auf eine Form 5 und 6 eines Einsatzes,

Fig. 7 eine Seitenansicht einer zweiten Form der verbesserten Kolben- und Einsatzanordnung in verkleinertem Maßstab,

Fig. 8 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie 8-8 von Fig. 7,

- 6 - Fig. 9

509824/0727

JUOP-1251

Fig. 9 eine der Fig,. S ähnliche Ansicht eimer dritten Form der verbessertem X-olben- und Elmsatzanordnung,

Fig. 10 eine vergrößerte "Teilansicht, teilweise im Schnitt, einer vierten Form der verbesserten Kolben- und Einsatzanordnung,

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 in Fig. JO.

Gemäß den Figuren und insbesondere Fig. 2 enthält ein feil einer Brennkraftmaschine 10 einen Maschinenblcock 11, in dem mehrere Bohrungen 12., von denen nur eine gezeigt ist, ausgebildet sind. Das innere Ende jeder Bohrung endet im eimern nicht gezeigten innerhalb des Maschinenblockes ausgebildeten Kurbelgehäuse.· In jeder Bohrung sitzt eine metallische Zylinderlaufbuchse 13_;, die meistens nur mit ihrem nicht gezeigten oberen Endteil fest am Maschinenblock befestigt ist, während der Rest der Laufbuchse im wesentlichen langestützt ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besitzt ein Teil 12a der Bohrung 12 einen größeren Purciamesser und bildet mit dem langesttützten Teil der Laufbuchse eine schmale Kammer X, die die Laufbuchse umschließt und mit einem geeigneten flüssigen Kühlmittel C gefüllt ist. Beim Betrieb" der Maschine wird das Kühlmittel in einen Umlauf durch die Kammer X gebracht,. Der untere Teil 12b der Bohrung 12 besitzt einen kleinexen Durchmesser, der sich eng an den Außendurchmesser der Laufbuchse annähert. Geeignete Dichtringe 14a, b und c sind in Nuten 15 getragen, die in der Außenfläche der Laufbuchse ausgebildet sind. Die Dichtringe werden von der angrenzenden Wand der Bohrung zusammengedrückt und dienen einer wirksamen Bichtung für das untere Ende der Kammer oder Hülse X. iDIe Anordnung von Ring und .Nut kann ähnlich wie die sein, die in der US-PS 3 403 661 offenbart ist.

Innerhalb der Laufbuchse 13 ist ein Kolben 1<6 s© angeordnet,

609824/0727

- 7 - daß

A3OP-1251

daß er hin- und herbeweglich ist. Der Kolben ist aus einer geeigneten-Metallegierung hergestellt und besitzt einen Kolbenboden 17 mit einer profilierten oberen Oberfläche 17a, gegen die die von der Verbrennung des oberhalb des Kolbens eingeschlossenen Brennstoffs herrührenden Antriebskräfte gerichtet sind. Die freiliegende Seitenringfläche 17b des Kolbenbodens ist mit einer Reihe von Nuten 17c versehen, in denen mehrere herkömmliche Kolbenringe R aus geeignetem metallischem Material aufgenommen sind. Die Anzahl der am Kolbenboden anzuordnenden Ringe hängt von vielen Faktoren ab, wie beispielsweise von der Kolbengeschwindigkeit, von der Form der Ringe und der Nuten, den Materialien, aus denen die verschiedenen Komponenten hergestellt sind, etc.

Vom Kolbenboden hängt ein Kolbenschaft 18 herab und begrenzt die Unterseite des Bodens. Auf der Innenfläche des Kolbenschafts 18 ist ein Paar Kolbenaugen 18a gegenüberliegend angeordnet. Die Kolbenaugen besitzen fluchtende öffnungen 20, die an der Außenfläche des Kolbenschafts enden, wie aus den Fig. 1 und 3 zu ersehen. Die Achse der fluchtenden Öffnungen verläuft quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens innerhalb des Zylinders. Die Enden von Kolbenbolzen 21, die den Kolben 16 drehbar mit dem oberen Ende einer Verbindungsstange bzw. eines Pleuels 22 verbinden, sind von den öffnungen aufgenommen und getragen. Das entgegengesetzte Ende des Pleuels 22 ist mit einer nicht gezeigten Kurbelwelle verbunden, die innerhalb des zuvor erwähnten Kurbelgehäuses angeordnet ist.

Neben den öffnungen 20 für die Kolbenbolzen besitzt der Kolbenschaft 18 ein Paar diametral gegenüberliegender Schlitze 23 und 24, die eine gleiche bzw. ähnliche Form haben können. Die Ausrichtung der Schlitze ist senkrecht zur Ausrichtung der Öffnungen 20. Die Schlitze liegen vorzugsweise in den Seitendruckbereichen T des Kolbenschafts, d.h. an der Stelle, auf die die größte Konzentration seitlicher Verschiebekräfte (Seitenlast) während des Maschinenbetriebes auf

5098824/0727 den

A3OP-1251

den Kolben einwirkt.

In der dargestellten Ausführungsform besitzt jeder Schlitz eine ebene Grundfläche 25, die oben und unten von geschlossenen .hinterschnittenen Kanten 26 bzw. 27 begrenzt wird. Der Rest der Grundfläche 25 wird von gegenüberliegenden offenen Seiten 28 begrenzt.

Es ist erkennbar, daß die Höhe (longitudinale Länge) des Schlitzes merklich kleiner als die Länge des Kolbenschafts ist. Das ist wichtig, damit die Ober- und Unterkanten 26 und 27 ausreichend stark sind, um eine relative Vertikalbewegung eines innerhalb des Schlitzes aufgenommenen austauschbaren Einsatzes 30 während einer Hin- und Herbewegung ' des Kolbens verhindern zu können.

Genauso wichtig ist es, daß die Seiten 28 des Schlitzes offen sind und an der Außenfläche des Kolbenschafts enden. Infolge dieser offenen gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes ist die Herstellung oder Ausbildung des Schlitzes sehr einfach und unter Verwendung üblicher Bearbeitungsverfahren auszuführen. Außerdem erlauben die offenen Schlitzseiten, was später noch näher erläutert wird, daß der Einsatz 30 einfach, von Hand ohne irgendein Werkzeug in den Schlitz reingeschoben oder aus ihn entfernt werden kann. Die Form der Schlitze 23 und 24 ist so, daß sie die Festigkeit des Kolbens als Ganzes nicht beeinträchtigen.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Einsatzes 30, der eine einfache geometrische Form besitzt, die im wesentlichen ein Zylindersegment darstellt. Die Ober- und Unterkanten 30a bzw. 30b sind abgeschrägt oder auf andere Weise profiliert, um der Form der entsprechenden hinterschnittenen Kanten 26 und 27 der Schlitze 23 und 24 zu entsprechen. Die Rückfläche 30c des Einsatzes ist eben und im wesentlichen koinzident mit der Grundfläche 25 des Schlitzes. Die äußere Oberfläche 3Od des Einsatzes besitzt eine. Krümmung, die im wesentlichen der Krümmung der äußeren

509824/0727

- 9 - Oberfläche

A3OP-1251

Oberfläche des Kolbenschaftes angepaßt ist, sich jedoch um einen kleinen Betrag (z.B. 25 bis 125 y) von der Außenfläche des Kolbenschafts nach außen vorerstreckt.

Der Einsatz sollte aus einem Material hergestellt sein, das eine gute Anpassungsfähigkeit ohne Verlust an Geschlossenheit bzw. Einheitlichkeit besitzt, wenn es den beim Maschinenbetrieb normalerweise auftretenden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird. Zusätzlich sollte das Material des Einsatzes einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzen. Grundsätzlich haben organische Polymere die für das Material des Einsatzes gewünschten Eigenschaften. Von diesen haben Arylensulfide, heterocyclische aromatische Polyamide, Polyimide und Flourin-enthaltende Polymere zufriedenstellende Einsätze ergeben, wobei die letzteren beiden bevorzugte Materialien sind.

Der Einschluß ausgewählter Zusätze in diesen Polymeren führt zu Einsätzen mit besonders günstigen Eigenschaften. Schmiermittel, wie Graphit, Molybdändisulfid, oder Fasermaterialien, wie Glas, innerhalb des Polymers hemmen den durch die ständige Bewegung entlang der Zylinder- oder Buchsenwand auftretenden Verschleiß des Einsatzes. Metallpuder, wie Bronze, unterstützen die Wärmeableitung aus dem Einsatz, geben diesem zugleich eine bessere Lagereigenschaft und verhindern, daß er in den Zylinder herausgedrückt wird. Ein aus Polytetrafluoräthylen gefüllt mit Bronzepuder und Molybdändisulfid hergestellter Einsatz erzielte in der praktischen Verwendung einen verbesserten Maschinenbetrieb .

Das Anordnen des Einsatzes in dem Schlitz oder sein Entfernen aus dem Schlitz erfordert lediglich, daß der Kolben relativ zum oberen oder äußeren Ende der Laufbuchse so bewegt wird, daß eine der offenen Seiten 28 des Schlitzes völlig außerhalb der Laufbuchse liegt; der Einsatz 30 kann dann leicht in den Schlitz hinein oder aus ihm herausgeschoben werden. Nachdem der Einsatz 30 innerhalb des Schiit-

509.824/0727

- 10 - zes

A3OP-1251

zes ausgerichtet ist, kann der Kolben in seine Einbaustellung innerhalb der Laufbuchse zurückgebracht werden.. Solange der Kolben und die Laufbuchse eingebaut sind, bleibt der Einsatz innerhalb des Schlitzes verriegelt. Das Maß·, mit dem sich der Einsatz von der Außenfläche des Kolbenschafts vprerstreckt, sollte so groß sein, daß sich eine genaue Passung zwischen der Laufbuchse und der Außenfläche 3Od des Einsatzes ergibt. Infolge einer solchen Fassung paßt sich das Material des Einsatzes besser der Laufbuchsenwand an, wenn der Kolben in der Laufbuchse hin-und hergleitet.

Wenn auf den gegenüberliegenden Seiten des Kolbenbolzens ein Einsatz vorgesehen wird, ergibt sich eine ausgeglichenere Verbindung zwischen dem Kolben und dem Pleuel.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform eines verbesserten Kolbens 116 und eine zweite Form eines in den Kolben eingesetzten Einsatzes 130. Teile des Kolbens 116 und des Einsatzes 130, die entsprechenden Teilen des Kolbens 16 und des Einsatzes 30 ähnlich sind, sind mit den gleichen Bezugszahlen, allerdings unter Zusatz von 100, bezeichnet. Der Einsatz 130 unterscheidet sich von dem Einsatz 30 daring daß die Dicke t (siehe Fig. 8) des oberen Teiles des Einsatzes 130 neben dem Kolbenboden 117 etwas kleiner (z.B. 25 μ) als die Dicke t des. unteren Teiles des Einsatzes ist. Infolge des Dickenunterschiedes ist anfänglich ein leichtes Spiel zwischen der Rückseite 130c des oberen Teiles des Einsatzes 130 und der planen Grundfläche 125 des Schlitzes 124 vorhanden. Dieses leichte Spiel dient der Kompensation der größeren thermischen Ausdehnung, die im oberen Teil des Einsatzes auftreten kann, wenn sich der Kolben in der Laufbuchse hin- und herbewegt. Da der obere Teil des Einsatzes dichter zum Verdichtungsraum bzw. der Brennkammer für den Kolben liegt, ist er einer größeren Wärmekonzentration ausgesetzt und unterliegt daher einer größeren thermischen Ausdehnung.

5 0 9"8 W 7 0 7 2 7

2Α58Λ44

Λ3ΟΡ-1251

Um zu verhindern, daß der Einsatz 130 falsch im Schlitz angeordnet wird, sind die oberen und unteren abgeschrägten Kanten 126 bzw. 127 des Schlitzes 124 und die entsprechenden Kanten 130a und 130b des Einsatzes nicht parallel, wie dies in Fig. 7 übertrieben dargestellt ist. Der Einsatz 130 kann dann nur von der linken offenen Seite 129 des Schlitzes 124 her in den Kolben 116 eingesetzt oder aus ihm entfernt werden.

Fig. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Kolbens und eines Einsatzes 230. Der im Seitendruckbereich des Kolbenschafts 218 ausgebildete Schlitz 224 besitzt angrenzend an die obere abgeschrägte Kante 226 eine größere Tie-

1 2

fe d als neben der unteren abgeschrägten Kante 227 (d ). Die Tiefenunterschied kann ungefähr 25 μ betragen. Die Ebene der Grundfläche 225 liegt also nicht parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens innerhalb der Zylinderlaufbuchse. Der Einsatz 230 hat in diesem Fall keinen Dickenunterschied zwischen seinem oberen und unteren Teil, so daß der Einsatz 30 und der Einsatz 230 im wesentlichen dieselben sein können.

Eine vierte Ausführungsform eines Kolbens 316 und eines Einsatzes 330 ist aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich. Der im Seitendruckbereich des Kolbenschafts 318 des Kolbens 316 ausgebildete Schlitz 324 besitzt statt einer ebenen Grundfläche, wie sie im Hinblick auf die Schlitze 24, 124 und 224 beschrieben wurde, eine konvexe Grundfläche 325. Die Rückseite 33Oc des Einsatzes 330 hat eine konkave Form, die der Konvexität der Grundfläche 325 angepaßt ist. Der Einsatz 300 kann wie auch der Einsatz 30 von jeder der offenen Seiten 328 in den Schlitz 324 eingebracht oder aus ihm entfernt werden, wenn der Kolben um einen ausreichenden Betrag aus der Zylinderlaufbuchse herausgezogen wurde, so daß die offenen Seiten des Schlitzes außerhalb der Innenwand der Laufbuchse liegen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, stimmt der Mittelpunkt der Krümmung

- 12 - der

509.824/0727

2468444

Λ30Ρ-1251

der Grundfläche des Schlitzes nicht mit demjenigen der Krümmung der übrigen Außenwand des Kolbenschafts 318 überein; auf diese Weise wird eine Relativbewegung des Einsatzes innerhalb des Schlitzes vermieden, wenn der Einsatz einmal in den Schlitz gesetzt ist und Kolben und Einsatz in ihrer Einbaustellung in die Zylinderlaufbuchse gebracht wurden.

Gegenwärtig benutzte Maschinen, bei denen Kolben und Zylinderlaufbuchsen mit einem übermäßigen Verschleiß behaftet sind, können mittels der beschriebenen Erfindung einfach dadurch modifiziert und in der Betriebsweise merklich verbessert werden, daß die Kolben aus dem Block entfernt werden und ihre Kolbenschäfte bearbeitet werden, um in den Seitendruckbereichen der Kolbenschäfte geeignete Schlitze zur Aufnahme eines der beschriebenen Einsätze auszubilden. Wie zuvor erwähnt, kann die Bearbeitung des Kolbenschafts infolge der einfachen Form der Schlitze unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrüstung und bekannter Techniken durchgeführt werden. Nach Ausbildung der Schlitze werden die Einsätze ohne Erfordernis von Spezialwerkzeugen oder Verwendung von Nieten oder Klebstoffen von Hand seitlich in die Schlitze geschoben und der Kolben anschließend wieder in die Zylinderlaufbuchse eingesetzt. Wenn eine Kavitation der Kühlmittel-umspülten Oberfläche der Zylinderlaufbuchse bereits aufgetreten war, dann sollte diese vor dem Wiedereinbau des Kolbens im Maschinenblock ausgetauscht werden.

Es ist erkennbar, daß mit der Erfindung ein Verfahren und ein Aufbau geschaffen wurden, nach denen die innerhalb einer Kolbenbrennkraftmaschine auftretenden Vibrationskräfte wirksam reduziert werden können, so daß Verschleiß, Geräuschentwicklung und damit zusammenhängende Probleme deutlich vermindert und eine Kavitation der Kühlmittel-umspülten Oberfläche der Zylinderlaufbuchse vermieden wird. Die Ver-

- 13 - wendung

509824/0727

A30P-1251

wendung von Einsätzen einfacher geometrischer Konfiguration erlaubt eine leichte Installation oder einen leichten Austausch der Einsätze an dem Kolben ohne daß irgendwelche Werkzeuge erforderlich wären; gleichzeitig ermöglicht dies, daß die Einsätze genau geformt oder ausgebildet werden, solange sie noch vom Kolben getrennt sind. Die am Kolbenäußeren ausgebildeten Schlitze erfordern nur eine einfache Bearbeitung.

- 14 - Patentansprüche

50 9 8 24/0727

Claims

-A3OP-1251

P atentansp rü ehe

1. Kolben-Zylinderanordnung einer Brennkraftmaschine mit einem länglichen in einem Zylinder hin- und herbeweglichen Kolben, der einen Kolbenboden sowie einen hiermit einstückigen, vom Kolbenboden herabhängenden und ihn begrenzenden länglichen Kolbenschaft aufweist, welcher in einem äußeren Bereich einem Seitdendruck ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Seitendruckbereich ein Einsatz (30, 130, 230, 330) angeordnet und mit dem Kolben.(16, 116, 216, 316) als Einheit beweglich ist, wobei sich ein Teil des Einsatzes über den Rand des Kolbenschafts (18, 118, 218, 318) vorerstreckt und in ständigem Gleiteingriff mit der Innenfläche des Zylinders (13) steht, um die seitliche Verschiebung des Kolbens während seiner Hin- und Herbewegung zu beschränken.

2. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder eine Laufbuchse (13) mit einer Außenfläche aufweist, die eine Kühlmittelumspüite Wand einer Kammer für ein die Laufbuchse umschließendes Kühlmittel darstellt.

3. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30, 130, 230, 330) im wesentlichen ohne Verlust an Geschlossenheit bzw. Einheitlichkeit an die*Form der Zylinderwandfläche anpassungsfähig ist.

- 15 - 4^

509.824/0727

Α3ΟΡ-1251

4. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30, 130, 230, 330) ohne Verlust an Geschlossenheit bzw. Einheitlichkeit im wesentlichen an die Form der Laufbuchseninnenfläche anpassungsfähig ist, wenn er bestimmten Betriebstemperaturen und -drücken der Maschine ausgesetzt wird.

5. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30, 130, 230, 330) vom Äußeren des Kolbenschafts (18, 118, 218, 318) entfernbar ist, wenn sich der Einsatz außer Eingriff mit der Zylinder- bzw. Laufbuchseninnenfläche befindet und von Hand in eine seitlich zur Richtung der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens (16, 116, 216, 316) innerhalb des Zylinders bzw. der Laufbuchse (13) verlaufenden Richtung bewegt wird.

6. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Seitendruckbereich des Kolbenschafts (18, 118, 218, 318) wenigstens ein querverlaufender Schlitz (23, 24; 124, 224, 324) mit einer von einem Paar gegenüberliegenderoffenerSeiten "(28, 129, 328) und geschlossenen hinterschnittenen Ober- und Unterkanten (26, 27; 126, 127; 226, 227) begrenzten Grundfläche (25, 125, 225, 325) ausgebildet ist, wobei der Einsatz (30, 130, 230, 330) nur austauschbar ist, wenn sich der Kolben (16, 116, 216, 316) in einer relativen Stellung befindet, bei der eine offene Seite des Schlitzes außerhalb der Laufbuchsenwandfläche liegt und der Einsatz seitlich durch eine offene Seite des Schlitzes bewegt wird.

7. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,'dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (25, 125, 225, 325) des Schlitzes (23, 24; 124; 224;

- 16 - 324)

509.824/0727

A30P-1 251'

It

(324) eben ist und der Kolbenschaft (18, 118, 218, 318) fluchtende Kolbenaugen (18a) besitzt, deren Ausrichtungsachse quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (16, 116, 216, 316) innerhalb der Laufbuchse (13) und im wesentlichen parallel zur Ebene der Grundfläche des Schlitzes verläuft.

8. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform des Einsatzes (30, 130, 230, 330) im wesentlichen ein Kreissegment darstellt, wenn der Schnitt entlang einer Ebene quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft.

9. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Randteile (30a, 30b) des Einsatzes (30) so geformt sind, daß sie im wesentlichen dem Profil der entsprechenden hinterschnittenen Ober- und Unterkanten (26, 27; 126, 127; 226, 227) des Schlitzes (23, 24; 124, 224, 324) entsprechen.

10. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche

1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Außenwand des Kolbenschafts (18, 118, 218, 318) gegenüberliegend dem ersten Schlitz (24) ein ähnlicher zweiter Schlitz (23) ausgebildet ist, daß in dem zweiten Schlitz ein dem erwähnten Einsatz (30, 130, 230, 330) ähnlicher zweiter Einsatz angeordnet ist, und daß beide Einsätze in ständigem Gleiteingriff mit der Innenfläche der Laufbuchse (13) stehen, wenn sich der Kolben (16, 116, 216, 316) in der Laufbuchse hin- und herbewegt.

11. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (30, 130, 230, 330) in bezug auf den Schlitz (23,

509B2¹A⁷/"0727 ¹^

A3OP-1251

I?

24; 224, 324) im wesentlichen unbeweglich ist, wenn der Kolben (16, 116, 216, 316) und die Laufbuchse (13) zusammengefügt sind.

12. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz aus einem organischen Polymer besteht.

13. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ausgewählt ist aus der Klasse bestehend aus Polyimiden und Flourin-enthaltenden Polymeren.

14. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer einen Schmierstoff- und/oder Metall-Füller enthält.

15. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer mit Molybdändisulfid und Bronze gefülltes Polytetrafluoräthylen ist.

16. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (225) des Schlitzes (224) eine im wesentlichen ebene Form bildet und daß die Tiefe (d ) des Teiles der Grundfläche neben der Oberkante (226) des Schlitzes

2
größer als die Tiefe (d ) des entsprechenden Teiles der Grundfläche neben der Unterkante (227) des Schlitzes ist, wobei die entsprechenden Ober- und Unterteile des Einsatzes (230) im wesentlichen gleich dick sind.

17. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (125) des Schlitzes (124) eine im wesentlichen ebene Form besitzt, daß die Tiefe entsprechend der Teile

- 18 - des

50 9.8 24/0727

2458U4

A3OP-1251

des Schlitzes neben der Ober- bzw. Unterkante des Schlitzes im wesentlichen gleich ist, daß die Dicke (t ) des Teiles des Einsatzes (130) neben der Oberkante (126) des Schlitzes (124) geringer als die

2
Dicke (t ) des entsprechenden Teiles des Einsatzes neben der Unterkante (127) des Schlitzes ist, daß die Ober- und Unterkante des Schlitzes nicht parallel sind, wobei die eine offene Seite (129) des Schlitzes länger als die andere ist und die Ober- und Unterkante des Einsatzes entsprechend nicht parallel sind, wobei die Seitenkanten des Einsatzes im wesentlichen die^gleiche Länge wie die entsprechenden offenen Seiten des Schlitzes aufweisen.

18. Kolben-Zylinderanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche

. (325) des Schlitzes (324) konvex ist, daß der Einsatz (330) eine der konvexen Form der Grundfläche des Schlitzes entsprechende konkave Innenfläche (33Oc) und eine konvexe Außenfläche besitzt, die sich über den Rand des Kolbenschafts (318) hervor erstreckt.

19. Kolben-Zylinderanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Außenfläche des Einsatzes (330) kleiner als der Krümmungsradius seiner Innenfläche ist.

20. Verfahren zur Verhinderung der Kavitation einer Kühlmittel-umspülten Fläche einer Laufbuchse bei einer Brennkraftmaschine mit einer Zylinderlaufbuchse, deren Außenfläche eine Kühlmittel-umspülte Wand einer umschließenden Kammer für ein flüssiges Kühlmittel bildet, und mit einem in der Laufbuchse angeordneten hin- und hergehenden Kolben, der einen herabhängenden Kolbenschaft und einen außen an diesem ausgebildeten

- 19 - Seitendruckbereich

5 0 9.8 2 A / 0 7 2 7

Λ30Ρ-1251

Seitendruckbereich aufweist, gekennzeichnet durch Anbringen eines Einsatzes auf den Seitendruckbereich außen auf dem Kolbenschaft, während der Kolben und die Zylinderlaufbuchse im wesentlichen auseinandergenommen sind, derart, daß der Einsatz gleitfähig ist, und Einsetzen des Kolbens in die Laufbuchse, so daß der Einsatz in einem engen ständigen Gleitkontakt mit der Innenfläche der Laufbuchse steht, um eine seitliche Verschiebung des Kolbens in bezug auf die Laufbuchse während der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens in der Laufbuchse zu beschränken.

21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Ausbilden eines querverlaufenden Schlitzes außen am Kolbenschaft in dessen Seitendruckbereich, wobei der Schlitz eine von einem Paar gegenüberliegender offener Seiten und geschlossener hinterschnittener Ober- und Unterkanten begrenzte zurückgesetzte Grundfläche aufweist; und

Formen des Einsatzes derart, daß dieser im wesentlichen an die Form des Schlitzes angepaßt ist, so daß der Einsatz durch eine offene Seite des Schlitzes in den Schlitz hineingebracht oder aus diesem entfernt werden kann,wenn sich der Kolben in bezug auf die Laufbuchse in einer Stellung befindet, in der die offene Seite des Schlitzes außerhalb der Laufbuchse liegt, und der Einsatz im wesentlichen in bezug auf den Schlitz unbeweglich ist, wenn sich der Kolben in der Laufbuchse hin- und herbewegt.

- 20 -

509.824/0727

Leerse ite