DE2604038A1 - Kolben fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
Kolben fuer verbrennungskraftmaschinenInfo
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- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Description
I)K. EJtICH NEUGEHAUEB t
ΓΑΤΙ5ΛτΤΛΝ\νΑΤΛ' tewifok
<oku) 224Λ37 c. 202501
8 MÜNCHEN -C I OMiACU 3t ^ bavaWAPAIESI MÜNCHEN
ZWEH!IlttCKEN6TBAS8E JO 2 6 O A U 3 O ΤΕΪ-ΕΧ 5-Ζ41Ϊ1
(ΚΊ; It IJ K BKM »KUTSCH K K ΓΛΤ EIfTAM T)
3. Februar 1976 1A-3597
Beschreibung
zu der Patentanmeldung
PERKINS ENGINES LIMITED,
London, England
betreffend Kolben für Verbrennungakraftmaschinen
Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.
Bekanntlich führen die hohen Temperaturen, die im Boden der Kolben von Verbrennungskraftiaaschinen während des Betriebs
herrschen, dazu, daß der Kolbenboden einer im wesentlichen gleichmäßigen Druckbeanspruchung ausgesetzt wird, die ein
Durchbiegen des mittleren Teils des Kolbenbodens nach oben zur Folge hat. Ferner erzeugt bei einem Kolben, der durch
einen Kolbenbolzen unterstützt wird, der Gasdruck, von dem angenommen wird, daß er gleichmäßig auf die gesamte Fläche
des Kolbenbodens wirkt, in dem Kolbenboden ein nach unten gerichtetes Biegemoment und eine Druckspannung längs der
Achse des Kolbenbolzens sowie ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Biegemoment und eine entsprechende Zugspannung
längs einer quer zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Linie.
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Diese Erscheinungen lassen sich beim Betrieb eines Hubkolbenmotors
bekannter Art nicht vermeiden. Insbesondere bei Kolben, bei denen der Kolbenboden mit einer eine Brennkammer
bildenden Vertiefung versehen ist, können diese Beanspruchungen zu einer Beschädigung des Kolbens führen. Besonders dann,
wenn die die Brennkammer bildende Vertiefung mit einer überhängenden Lippe versehen ist, besteht die Gefahr, daß die
auf die thermische Beanspruchung und die Gaskräfte zurückzuführenden Druckspannungen insgesamt bewirken, daß das Metall
des Kolbenbodens und/oder der genannten Lippe nachgibt, sobald der Kolben heiß wird, und daß das Metall infolge der
auf thermischem Wege hervorgerufenen Zugspannung aufreißt, wenn sich der Kolben abkühlt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, bei dem das Entstehen
solcher Risse durch entsprechende Maßnahmen vermieden wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Kolben
geschaffen worden, der einen Kolbenboden aufweist, ferner
einen sich daran anschließenden Kolbenmantel, ein erstes Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der einen Seite
des Kolbens verbunden ist, sowie ein zweites Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der entgegengesetzten Seite-des
Kolbens verbunden ist, und bei dem Verstärkungsabschnitte vorhanden sind, die mit dem Kolbenmantel verbunden sind, in ihn
tibergehen und die eine Seite des Kolbens mit der anderen Seite verbinden.
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ORIGINAL INSPECTED
Hierbei ist der Kolbenboden vorzugsweise mit einer Brennkammer
versehen, die eine überhängende Lippe aufweist, und ferner ist jede der genannten Verstärkungen vorzugsweise mit dem
Kolbenmantel zusammenhängend so ausgebildet, daß sie sich von dem ersten Kolbenbolzenauge zu dem zweiten Kolbenbolzenauge
erstreckt.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem
Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:
Fig. i einen Schnitt durch einen Kolben längs der Linie I-I
in Fig. 2;
Fig. 2 die Draufsicht des Kolbens nach Fig. 1 bei Betrachtung desselben in Richtung des Pfeils II in Fig. 3;
Fig. 3 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 1 und 2 längs
der Linie III-III in Fig. 2;
Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines
Kolbens längs der Linie IV-IV in Fig. 6;
Fig. 5 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 längs der
Linie V-V in Fig. 4; und
Fig. 6 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 und 5 längs der Linie VI-VI in Fig. 5.
In Fig. 1 ist ein Kolben 1 dargestellt, zu dem ein Kolbenboden 2 gehört, der eine Brennkammer 3 mit einer überhängenden
Lippe 4 aufweist. An den Kolbenboden 2 schließt sich ein
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2604Q38
Kolbenmantel 5 an, an dem ein erstes Kolbenbolzenauge 6 und ein zweites Kolbenbolzenauge 7 ausgebildet sind, welche zügig
sowohl in den Kolbenmantel 5 als auch in den Kolbenboden 2 übergehen. Die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 weisen Bohrungen 6a
und 7a auf, die sich längs einer gemeinsamen Achse 10 erstrecken.
In Fig. 2 sind zwei Achsen x-x und y-y eingezeichnet, und die Pfeile S™ und S„ geben die Richtung der Spannungen an, die an
den Punkten X und Y bei einer Temperaturerhöhung bzw. als Folge des Gasdrucks auftreten. Die Pfeile S„ sind an beiden
Punkten X und Y auf der Lippe 4 aufeinander zu gerichtet und bezeichnen die Druckspannungen, die an diesen Punkten vorhanden
sind, wenn der Kolben heiß ist. An dem Punkt X sind die Pfeile SG aufeinander zu gerichtet, und sie bezeichnen die
Druckspannungen, die auftreten, wenn der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird. An diesem Punkt treten Druckspannungen
auf, da die Gaskräfte i?on den durch einen Querabstand getrennten Kolbenbolzenaugen 6 und 7 aufgenommen werden, so daß
ein Biegemoment auftritt, das bestrebt ist, den Kolbenboden nach unten durchzubiegen, wie es in Fig. 1 mit den Pfeilen
MG angedeutet ist. An dem Punkt Y sind die Pfeile SQ voneinander
weg gerichtet, und sie stellen Zugspannungen dar, die auftreten, sobald der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird.
An diesem Punkt treten Zugspannungen deshalb auf, weil die Kolbenbolzenaugen als Widerlager zur Wirkung kommen, so daß
ein entgegengesetzt gerichtetes Biegeraoment entsteht.-
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Da an dem Punkt Y eine Zugspannung S„ und eine Druckspannung
ST auftreten, verringert sich an dieser Stelle die Größe der
resultierenden Druckspannung, während sich an dem Punkt X die Spannungen S„ und S_ addieren.
Gemäß der Erfindung wird die Spannung SG an dem Punkt X dadurch
verringert, daß die Steifigkeit des Kolbens erhöht wird. Zu diesem Zweck werden zwei Verstärkungsrippen 8 und 9 an die
Innenfläche des Kolbenmantels 5 angegossen, die so geformt sind, daß die Enden beider Rippen in die benachbarten Kolbenbolzenaugen
6 und 7 übergehen. Diese Verstärkungsrippen kommen als Zugglieder zur Wirkung, um die betreffenden voneinander
abgewandten Seiten des Kolbenmantels 5 zusammenzuhalten und hierdurch die Druckspannungen zu verringern, welche längs
der ganzen Achse x-x und insbesondere an dem gefährdeten Punkt X auf der Lippe 4 auftreten.
In Fig. 3 ist die bevorzugte Anordnung der Verstärkungsrippen 8 und 9 mit Vollinien dargestellt, und bei 8a, 9a sowie bei
8b, 9b sind weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Verstärkungsrippen mit gestrichelten Linien angedeutet. Sollen die
Verstärkungsrippen 8 und 9 tiefer liegen als die Kolbenbolzenaugen 6 und 7, kann man sie so ausbilden, daß ihre Enden ineinander
übergehen, und daß sie eine endlose ringförmige Hippe bilden.
Es ist ersichtlich, daß es sich bei den Rippen 8 und 9 um Zugglieder handelt, durch welche bei einer Beanspruchung des
Kolbens die voneinander abgewandten Teile des Kolbenmantels 5
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so zusammengehalten werden, daß ihre Flexibilität eingeschränkt wird.
In Fig. 4, 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
dargestellt.
Gemäß Fig. 4 weist der dargestellte Kolben 1 sämtliche vorstehend anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen I4erkmale 2 bis
7 auf, und er ist außerdem nahe dem unteren Ende des Kolbenmantels 5 mit einer unteren Kolbenringnut 20 versehen. Die
kreuzweise schraffierten Flächenteile bezeichnen die gedachte Anordnung von die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 miteinander verbindenden
Verstärkungsabschnitten 21 und 22. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind durch Ubergangsabschnitte 23 und
mit dem Kolbenmantel 5 verbunden. Weitere Übergangsabschnitte 25 und 26 verbinden die kreuzweise schraffierten Bereiche 21
und 22 mit der Unterseite des Kolbenbodens 2, so daß gemäß Fig. 4 eine gleichmäßig gekrümmte Wölbung 28 vorhanden ist.
Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 liegen auf gleicher Höhe mit der Achse 10 der Bohrungen 6a und 7a der Kolbenbolzenaugen
6 und 7, und die Wölbung 28 endet auf einem etwas tieferen Niveau. Gemäß Fig. 4 kann man den unteren Teil der Wölbung
28 so ausbilden, daß ihre Wände gegen eine senkrechte Achse jeweils um einen kleinen Winkel von z.B. 2° nach außen geneigt
sind, damit sich der Kolben nach dem Gießen leicht der Gießform entnehmen läßt. Fig. 5 zeigt, daß die inneren Stirnflächen
30 und 31 der Kolbenbolzenaugen 6 und 7 nach oben aufeinander zu geneigt sind, um das zugehörige, hier nicht dargestellte
obere Ende einer Pleuelstange aufnehmen zu können.
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~7" 2 6 ΰ 4 J 3 8
Die Vor- und Nachteile dieser Konstruktion sind bekannt. Einer ihrer Vorteile besteht darin, daß die Druckspannung Sg,
die durch die Wirkung der Gaskräfte an dem Punkt X nach Fig. hervorgerufen wird, verkleinert wird. Gemäß Fig. 5 ist der
Kolben 1 mit eingebohrten Ölkanälen 33 und 34 versehen, die jeweils in einer solchen Höhe angeordnet sind, daß sie die
Olabstreifringnuten 36 und 20 mit dem Innenraum des Kolbens verbinden.
Fig. 6 läßt die erfindungsgemäße Gestaltung des Kolbens deutlicher
erkennen. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind in Fig. 6 im Schnitt dargestellt; man kann sie als Zugglieder
betrachten, die dem unteren Teil des Kolbens 1 zugeordnet sind und dazu dienen, einem Zusammenfallen des mittleren Teils
des Kolbenbodens 2 entgegenzuwirken.
Im Vergleich zu dem Kolben nach Fig. 1 weist der Kolben nach
Fig. 4 ein kostensparendes Merkmal auf, das darin besteht, daß auf der Innenseite des Kolbens keine Hinterschneidungen
vorhanden sind, so daß sich der Kolben mit geringerem Kostenaufwand gießen läßt. Das Fehlen solcher Hinterschneidungen
ermöglicht es außerdem, den Kolben unter Benetzung eines Werkzeugs
zu schmieden, dessen Form der Innenform des Kolbens entspricht. Der Kolben nach Fig. 1 bedingt zwar einen höheren
Kostenaufwand, da er nur unter Benutzung von Kernen gegossen werden kann, doch handelt es sich hierbei um einen Kolben von
besonders hoher Festigkeit.
609332/0739
Bei dem Kolben nach Fig. 1 brauchen die Rippen 8 und 9 nicht über ihre ganze Länge mit dem Kolbenmantel 5 verbunden zu
sein, sondern sie können lediglich an ihren Enden mit dem Kolbenmantel zusammenhängen bzw. daran angebracht sein.
Wenn die Vertiefung 3 des Kolbenbodens 2 mit einer zusätzlichen Einrichtung, z.B. einem Einsatzstück 40, versehen ist,
kann immer noch die Gefahr bestehen, daß Risse in einem gewissen Abstand vom Rand der Brennkammer entstehen, und auch für
diesen Fall bietet die Erfindung die Möglichkeit, hier in einem gewissen Ausmaß für Abhilfe zu sorgen. Dies geht aus
Fig. 1 hervor, wo auf der linken Seite ein Einsatzstück 40 aus einem anderen Werkstoff dargestellt ist. Bei einer solchen
Konstruktion können die Spannungen, die an dem Punkt Z auftreten, welcher dem Rand des Kolbenbodens "2 näher benachbart
ist als der Punkt X, immer noch so hoch werden, daß sie zum Entstehen von Rissen führen könnten.
Ansprüche:
809832/0739
Claims (9)
- ANSPRÜCHE' 1. / Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenboden, einem sich an den Kolbenboden anschließenden Kolbenmantel, einem mit dem Kolbenboden auf der einen Seite des Kolbens verbundenen ersten Kolbenbolzenauge und einem mit dem Kolbenboden auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens verbundenen zweiten Kolbenbolzenauge, bei dem jedes Kolbenbolzenauge eine Bohrung zum Aufnehmen des zugehörigen Kolbenbolzens aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) vorhanden sind, von denen jeder an dem Kolbenmantel (5) angebracht ist, in den Kolbenmantel übergeht und jeweils eine Seite des Kolbens mit der entgegengesetzten Seite des Kolbens verbindet.
- 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (2) mit einer eine überhängende Lippe (4) aufweisenden Brennkammer (3) versehen ist.
- 3. Kolben nach Anspruch 1# dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungsabschnitt (S, 9; 21,22) mit dem Eolbenmantel (5) zusammenhängend ausgebildet ist und sich von dem ersten Kolbenbolzenauge (6) zu dem zweiten Kolbenbolzenauge (7) erstreckt.609832/07391IA.KK nCxcUEK το/ΐββο» - »,vykuikchk v-KKKiNSHAXK MfxciiKif sessoo
- 4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Yerstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) an seiner Oberseite zügig in die Unterseite (27) des Koibenbodens (2) übergeht.
- 5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Yerstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) bei Betrachtung des Kolbens in einer Schnittebene, die im rechten Winkel zur Achse (10) der Bohrungen (6a, 7a) der Kolbenbolzenaugen (6, 7) verläuft, an seiner Oberseite in Form einer gleichmäßigen Wölbung (28) in die Unterseite (27) des Kolbenbodens (2) übergeht und zwischen den Kolbenbolzenaugen angeordnet ist.
- 6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untersten Enden der zügigen Wölbung (28) tiefer liegen als die Achse (10) der den Kolbenbolzen aufnehmenden Bohrungen (6a, 7a) der Kolbenbolzenaugen (6, 7).
- 7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daßder Innenraum des Kolbens so geformt ist, daß er keine Hinterschneidungen aufweist.
- 8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (2) mit einer Brennkammer (3) in Form einer einspringenden Aussparung versehen ist.
- 9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Stirnflächen (30, 31) der Eolttenbolzenaugen (6, 7) in Richtung auf den Kolbenboden (2) nach oh&n und innen geneigt sind, um das Aufnehmen eines sich verjüngenden Kolbenbolzenauges einer Pleuelstange zu ermöglichen.§09832/0731Leerseite
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EP0316077B1 (de) * | 1987-10-31 | 1993-09-15 | Sony Corporation | Bürstenloser Motor |
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