DE2620910C2

DE2620910C2 - Kolben für einen Brennkraftmotor

Info

Publication number: DE2620910C2
Application number: DE2620910A
Authority: DE
Inventors: William Dieter Hagerstown Ind. Guenther
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-05-12
Publication date: 1985-01-24
Also published as: GB1529088A; US4073220A; CA1037802A; JPS5916092B2; JPS51146617A; DE2620910A1; US4013057A

Description

dem Mantel ausgebildet ist (Fig.5 zens zu einem Reißen des Kolbens und besonders zum Γ,™Γ«Ώ Reißen des Kolbenmantels.

3 Kolben i*ch Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- 20 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die AuskennStaetS Ageriiache (36,5g) des MaV. biegung eines Gelenkbobensmemem Kolben zu bese.-

destens eine Aussparung (31,33) zur Aufnahme von die gesamte Länge des Gelenkbolzens erstrecken, und UgereSen (32) und eines diese arretierenden auch die Lagerfläche des Mantels .st opüma groß Be. HdteSes(34)auiweist,unddaBdieUgereinsät- 30 de greifen zentrisch und symmetrisch an, so daß der ze mU hren bneren Lagerflächen (36) am Lager- Gelenkbolzen nicht auf Biegung belastet wird g„ed(22)desKolbenkopfes(ll> anliegen. Vorteilhafte We.terentw.cklungen des Kolbens s.nd

^g ^K ' in den Unteransprüchen angegeben

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnun-

35 gen näher erläutert In den Zeichnungen ist

Fig 1 eine Einzelheit im senkrechten Schnitt durch

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für einen Kolben, einen G⁶'⁶"^" ""^^ ^(Z einen Brennkraftmotor, in einer Ausführung mit einer stange in einer Ausführung nach einem ersten Austun Kolbenstange, einem von der Kolbenstange getragenen rungsbeispiel der Erfindung,

Ge enkSIn^ einem Kolbenkopf mit Lagerflächen an 40 F i g. 2 eine Einzelheit inr«vertikalen Schnitt durch^ eisernem Ugerglied, die an dem Gelenkbolzen angreifen, nen Kolben, einen Gelenkbolzen und eine KolbenstanunSemÄlmit Lagerflächen, wobei der Kolben- ge in der Ausführung nach dem erstentA^JSSft kopf und der Mantel relativ zueinander um die Achse spiel der Erfindung, um 90° gegenüber dem Scnn.tt in

^aSfJ£^b^U^h^r\sU_ürBren^_mo_tor_en « ^? Ϋi^- ^andergezoge^ Dar^llujg im ein Kolben bekannt der einen Mantel aufweist der dem Teilschnitt e.nes Kolbens und e.nes Gelenkbo^ «Je Kopfteil gegenüber getrennt und diesem gegenüber nach dem ersten Ausführungsbe.sp.el der Erf.ndung

^Ti^^SCä^^^ ^aU^re!nT^dDrau_fsi_Cht auf einen Ko.benmante. mit Se KdbenJoTf wird dann an den Gelenkbolzen zu 50 Lagereinsätzen und e.nem teilweise w^*^^nen beiden Seken der Kolbenstange angebracht um eine Halteglied entsprechend der Ausfuhrung nach dem er-Schwinebewegung zwischen der Kolbenstange und st*n Ausführungsbeispie, •„^„p.ifni

dem KoEkSf zu ermöglichen. Die Enden des Ge- F i g. 5 eine Einzelheit im vertikalen Schnitt eines Kol·

ien^izens greifen an Buchsen- oder Lagerflächen am bens und einer Kolbenstange nach einer abgewandelten

gegenüber einen Kolben mit einem mit einem einstük- Schnitt nach Fi g. 5 v«wtzt

einer solchen Weise miteinander verbunden, daß jedes Ausbiegen des Gelenkbolzens unter extremen Belastungsbedingungen verhindert wird, beispielsweise dann, wenn der Kolben 10 in einem Brennkraftmotor mit Oberladung eingesetzt wird. ■ .

Der Kolbenkopf 11 ist aus einem einzigen Gußstück aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Metallegierung gebildet Der Kolbenkopf 11 hat üblicherweise eine Krone 15, die eine solche Form hat, daß eine Wand einer Expansionskammer gebildet wird, beispielsweise einer Brennkammer (nicht dargestellt) in einem Brenakraftmotor, um gewünschte Betriebscharakteristiken zu liefern. Um eine Peripherie 16 des Kopfes 11 sind drei Umfangsnuten i7,18 und 19 vorgesehen, um herkömmliche Kolbendichtringe (nicht dargestellt) aufzunehmen, wobei die beiden obersten Nuten 17 und 18 Druckringe aufnehmen und die Nut 19 einen ölring aufnimmt. Eine versiegte Stützkonstruktion 20 erstreckt sich unter dem Kolbenkopf 11 über die Mitte einer inneren Kolbenkrone 21. Ein allgemein hohlzylindrischea Lagergüed 22 ist unter der verstegten Stützkonstruktion 20 ausgebildet Wie am besten aus FI g. 2 ersichtlich ist, erstrecken sich die versiegte Stützkonstruktion 20 und das hohlzylindrische Lagerglied 22 im wesentlichen über die Breite des Kolbenkopfes 11, und sie lassen nur Platz frei, um über dem Glied 22 den Kolbenmantel 12 aufzunehmen, der den gleichen Außendurchmesser wie der Kolbenkopf 11 hat Das hohlzylindrische Lagergüed 22 hat eine innere Lagerfläche 23 und eine konzentrische äußere Lagerfläche 24. Eine öffnung 25 ist durch das hohlzylindrische Lagerglied 22 hindurch an dessen unterer Mitte vorgesehen, um die Kolbenstange 14 passieren zu lassen und eine Drehbewegung derselben in bezug auf den Kopf il zu gestatten.

Der Gelenkbolzen 13 hat die allgemeine Form einer Hülse mit einer inneren öffnung 26 und einer äußeren Lagerfläche 27. Der Gelenkbolzen hat einen solchen Durchmesser, daß die äußere Lagerfläche 27 mit der inneren Lagerfläche 23 des hohlzylindrischen Lagerglieds 22 zusammenwirkt, um eine Schwingbewegung des Gelenkbolzens 13 innerhalb des hohlzylindrischen Lagerglieds 22 zu gestatten. Die Kolbenstange 14 weist ein oberes geflanschtes Ende 28 auf, das in der Lagergliedöffnung 25 sitzt und das am Gelenkbolzen 13 mittels zweiev Schrauben 29 befestigt ist Der Gelenkbolzen 13 ist etwas kürzer in der Länge als das hohlzylindrische Lagerglied 22, und ein gewisses Spiel ist zwischen der Kolbenstange 14 an deren Flansch 28 und der öffnung 25 vorgesehen, uiii eine gewisse axiale Bewegung des Gelenkbolzens 13 innerhalb des hohlzylindrischen Lagergliedes 22 zu gestatten, damit die Kolbenstange 14 in eine Flucht mit einer Kurbelwelle innerhalb des Brennkraftmotors gelangt, in dem der Kolben 10 eingesetzt wird.

Der Mantel 12 hat hohlzylindrische Form mit einer Außenfläche 30, die spangebend bearbeitet ist, um eng an den Wänden eines Zylinders innerhalb eines Brennkraftmotors anzugreifen. Ein ringförmiger Absatz 31 ist in das Innere des Mantels 12 eingearbeitet, um zwei Lagereinsätze 32 aufzunehmen, die den Mantel 12 mit dem Kolbenkopf 11 verbinden. Eine Aussparung 33 ist in die Aussparung 31 eingearbeitet, um ein Halteglied 34 aufzunehmen, das die Lagereinsätze 32 innerhalb des Kolbenmantels 12 hält.

Wie am besten in F i g. 3 und 4 ersichtlich ist, weisen die Lagereinsätze 32 ei,- Rohr 35 auf, das gekrümmt ist, um sich eng an die Aussparung 31 anzulegen, die in die Innenwand des Mantels 12 eingeformt ist Die Lagereinsätze 32 weisen ferner eine innere Lagerfläche 36 auf, die so ausgebildet ist, um mit der äußeren Lagerfläche 24 des hohlzylindrischen Lagerglieds 22 zusammenzuwirken, damit eine Schwingbewegung zwischen Kol benmantel 12 und dem Kolbenkopf 11 ermöglicht wird. Jeder der Lagereinsätze 32 weist femer zwei axiale öffnungen 37 auf, die zwischen den Flächen 35 und 36 im Abstand angeordnet und die durch eine verstärkende

to Verstegung 38 getrennt sind, um das Gewicht zu verringern und Kanäle für einen Durchfluß von Kühlöl zu schaffen.

Das Halteglied 34 hat die Form eines geteilten Sprengrings, der einen normalen Durchmesser hat, der größer als der Durchmesser der Aussparung 31 ist, die in den Kolbenmantel 12 eingeformt ist Das Halteglied 34 hat zwei im Abstand liegende Enden 39, von denen jedes eine öffnung 40 hat, die durchgeht, um ein Werkzeug aufzunehmen, damit ein Zusammendrücken des Halteglied*« 34 während der Montage ermöglicht wird Wenn die Lagereinsätze 32 innerhiuä der Aussparung 31 sitzen und das Halteglied 34 in die Aussparung 33 eingesetzt ist, können die Lagereinsätze 32 nicht mehr innerhalb des hohlzylindrischen Mantels 12 wanden.

Der Kolben 10 wird montiert, indem zunächst der Kolbetxopf 11 auf dem Kopf auf eine Arbeitsfläche

gesetzt wird, wobei das hohlzylindrische Lagerglied 22 nach oben zeigt

Der Gelenkbolzen 13 wird dann axial in das hohlzylin-

drische Lagerglied 22 eingeschoben, und Gewindelöcher 41 zur Aufnahme der Schrauben 29 werden mit der öffnung 25 in eine Flucht gebracht Das Halteglied 34 wird dann auf den Kolben um das hohlzylindrische Lagerglied 22 herum gelegt Danach werden die Lagerein- Sätze 32 so gesetzt, daß deren innere Lagerflächen 36 sich gegen gegenüberliegende Seiten der äußeren Lagerfläche 24 am hohlzylindrischen Lagerglied 22 legen. Der Mantel 12 wird über diese Teile geschoben, so daß die Lagereinsätze 32 an die Aussparung 31 gelangen.

Ein Werkzeug wird durch eine öffnung 37 in die Lagerein ~ätze 32 eingeführt, um an den öffnungen 40 in den Haltegliedenden 39 einzugreifen. Das Werkzeug, beispielsweise eine Zange mit Stiftenden, wird dann zusammengedrückt, um das Halteglied 34 zusamnicnzudrük- ken und ein Wandern des Haltegliedes 3 } in die Aussparung 33 zu gestatten. Schließlich wird die Kolbenstange 14 am Gelenkbolzen 13 befestigt, indem die Schrauben 29 durch den Flansch 28 geführt und in die Löcher 41 des Gelenkbolzens 13 eingeschraubt werden. Das been det die Montage des Kolbens 10.

Im Betrieb bewirkt die Kurbelwelle des Motors ein Schwingen der Kolbenstange 14 um die Achse des Golenkbolzens 13, während der Kolben 10 innerhalb eines Motorzylinders hoch- und niederbewegt wird. Alle ver tikalen Kraftkomponenten während der Druck- und Brennhübe werden auf den Kolbenkopf 1» ausgeübt, während Seitendruckkomponenten der Kraft durch die Lagereinsätze 32 auf den Kolbenmantel 12 übertragen werden, weil sich der Kolbenkopf 11 und der Koiben-

eo mantel 12 ^frei in bezug aufeinander schwingen lassen. Weil Seitendruckkomponenten der Kraft nicht auf den Kolbenkopf 11 übertragen werden, bewegt sich der Kolbenkopf 11 in linearer Richtung, und er neigt dann nicht dazu, zu schaukeln. Damit erfolgt eine Verringe-

rung im Ölverbrauch und eine Geräuschminderung.

Weil die Lagerfläche des Kolbenkopfes am Gelenkbolzen an einer Stelle diametral gegenüber der Kolbenstange angreift, werden die vom Kolbenkopf auf den

Gelenkbolzen ausgeübten Kräfte direkt auf die Kolbenstange als Kompressivkräfte übertragen, um im wesentlichen ganz alle Kräfte zu beseitigen, die zu einem Biegen des Gelenkbolzens wirksam werden.

Es ist dafür gesorgt, daß Schmier- und Kühlöl dem Kolben 10 zugeführt werden kann, öl wird unter Druck durch die Motorkurbelwelle einem Kanal 42 zugeführt, der sich an der Kolbenstange 14 hocherstreckt. Der Kanal 42 ist durch einen radialen Kanal 43 im Gelenkbolzen 13 mit der inneren öffnung 26 des Gelenkbolzens 13 verbunden. Die Enden der Kolben-Gelenkbolzenöffnung 26 sind durch Kappen 44 verschlossen. Von der inneren Gelenkbolzenöffnung 26 fließt öl nach oben durch zwei radiale Kanäle 45 im Gelenkbolzen 13 zu Kanälen 46 innerhalb des Kolbenkopfes 11; die Kanäle 46 verbinden sich mit einem Kanal 47 im Kolbenkopf 11, um den Gelenkbolzen 13 zu schmieren, und mit zwei Kanälen 48, die so gerichtet sind, daß öl innerhalb der inneren Kolbenkrone 2! versprüht wird. Die Kanäle 46 und 47 enden in peripheren Nutsegmenten, die jeweils an der inneren Lagerfläche 23 ausgebildet sind, und diese stellen eine ständige Verbindung zwischen den zugehörigen Kanälen im Gelenkbolzen 13 und im Kopf U her, während dieser sich dem Kopf gegenüber dreht Ein Teil des aus den Kanälen 48 versprühten Öls gelangt in Kanäle 49, die radial durch den Kolbenkopf 11 zum ölring innerhalb der Ringnut 19 führen, um die Zylinderwände des Motors zu schmieren. Das verbleibende öl fließt über die innere Kolbenkrone 21. um den Kolbenkopf 11 zu kühlen. Von der inneren Kolbenkrone 21 fließt das öl nach unten durch die öffnungen 37 in den Lagereinsätzen 32 und um Enden 50 der Lagereinsätze 32 und zurück zu einem Motor-Ölsumpf. Von dem ölsumpf pumpt der Motor das öl durch einen Kühler und dann weiter durch die Kanäle im Kolben 10 und zu anderen Bereichen, die innerhalb des Motors geschmiert werden müssen. Ein Kühlen des Kolbenkopfs 11 wird außerdem durch den vergrößerten Kontakt zwischen dem hohlzylindrischen Lagerglied 22 und dem Gelenkbolzen 13 erhöht, was eine Wärmeleitung vom Kolbenkopf 11 zur kälteren Kolbenstange 14 erleichtert

In F i g. 5 und 6 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 60 gezeigt Der Kolben 60 weist einen Kolbenkopf 61, einen Kolbenmantel 62 und eine « Kolbenstange 63 auf. Der Kolbenkopf 61 ist im wesentlichen gleich dem Kolbenkopf 11 in Fig. 1 bis 3. Der Kolbenkopf 61 weist eine Krone 64 auf, die einen Teil der Brennkammer in einem Brennkraftmotor bildet ferner eine äußere Peripherie 65, die an der Wandung eines Zylinders im Motor angreift und ein hohlzylindrisches Lagerglied 66, das durch eine Stegkonstruktion 67 mit einer inneren Kolbenkrone 68 verbunden ist Das hohlzylindrische Lagerglied 66 weist eine innere Lagerfläche 69 zum Angreifen an der Kolbenstange 63 und eine äußere Lagerfläche 70 zum Angreifen am Mantel auf. Die innere und die äußere Fläche 69 und 70 enden an unteren Rändern 71, die einen Schlitz bilden, der sich über die gesamte Länge des Lagergliedes 66 erstreckt ^

Anders als beim ersten Ausfühnmgsbeispiel ist die Kolbenstange 63 aus einem einstückigen Metallteil mit einem einstückigen Gelenkbolzenlager 72 gegossen. Das Lager 72 ist allgemein zylindrisch und hat eine waagrechte Achse, und es weist eine innere öffnung 73 es auf, um das Gewicht der Kolbenstange 53 zu verringern. Das Lager 72 bildet ein Gleitlager, das sich innerhalb der inneren Lagerfläche 69 des Ugerglieds 66 des Kolbenkopfs 61 dreht.

Der Mantel 62 ist als ein einziges Metallstück gegossen, das eine äußere Fläche 74 hat, die zum engen Anliegen an der Seitenwandung eines Zylinders in dem Motor eingerichtet ist, und diese hat eine innere Lagerfläche, die zum Anliegen an der äußeren Lagerfläche 70 des Lagergliedes 66 des Kolbenkopfes 61 vorgesehen ist Die Lagerfläche 75 erstreckt sich im wesentlichen quer über die gesamte Breite des Mantels 62 und durch eine öffnung 76 zur äußeren Fläche 74. Die öffnung 76 hat eine Größe und Form, um durch das Lagerglied 66 und die Stegkonstruktion 67 des Kolbenkopfs 61 zu gehen. Die verstärkende Verstegung 77 ist zwischen einer inneren Wandpartie 78 des Kolbenmantels 62, die die Lagerfläche 75 bildet und einer äußeren Wandpartie 79 vorgesehen, die die äußere Fläche 74 bildet. Die Verstegung 77 verhindert ein Ausbiegen der inneren Wandpartie 78 unter extremen Seitendrucklasten.

Innerhalb des Kolbens 60 sind ölkanäle vorgesehen, um den Kolbenkopf 61 zu kühlen, öi wird durch einen Kanal 80 in der Kolbenstange 63 und ein Rohr 81 zu einem Kanal 82 und zwei Kanälen 83 gepumpt wo es in den Bereich versprüht wird, der von der inneren Kolbenkrone 68 und der Verstegung 67 gebildet wird. Ein Teil des aus den Kanälen 83 versprühten Öls geht durch Kanäle 84 in eine Nut 85, die einen ölring (nicht dargestellt) trägt, um die Seitenwandung des Zylinders zu schmieren, in dem der Kolben 60 läuft Der Rest des Öls fließt nach unten durch den Kolbenmantel 62 zurück, zu einem Sumpf im Motor.

Der Kolben 60 wird montiert indem zunächst das Rohr 81 in eine öffnung 86 in der Kolbenstange 63 in dem Lager 72 eingeführt wird. Das Kolbenstangenlager 72 wird dann unten in den Mantel 62 eingesetzt und zwischen den inneren Mantellagerflächen 75 zentriert. Schließlich wird das hohlzylindrische Lagerglied 66 am Kolbenkopf 61 durch die Mantelöffnung 76 geführt und axiai in den Raum geschoben, der zwischen der inneren Mantellagerfläche 75 und dem Kolbenstangenlager 72 gebildet ist Das schließt die Montage ab.

Obgleich nur zwei spezielle Ausführungsbeispiele für Kolben vorstehend beschrieben worden sind, können verschiedene Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden. Die Hauptüberlegung bei der Vornahme solcher Änderungen ist daß eine große und gleichförmige Lagerfläche zwischen dem Kolbenkopf und entweder einem Gelenkbolzen oder dem Ende einer Kolbenstange geschaffen wird, wenn ein Gelenkbolzen oder Lager als einstückiges Teil der Kolbenstange ausgebildet ist und eine starke, gleichförmige Lagerfläche zwischen dem Kolbenkopf und einem getrennten Kolbenmantel geschaffen wird, um Seitendruckkräfte zu verteilen, ohne den Gelenkbolzen oder die Kolbenstange zu verbiegen. Obgleich der Kolben speziell zur Verwendung in einem Brennkraftmotor beschrieben ist, kann der Kolben in anderen Ausdehnungskammervorrichtungen benutzt werden, beispielsweise in Hochdruckkompressoren.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

!rennte Mantel arbeitet also bei einer niedrigeren Tem-

Patentansnrüche- peratuT als ein Mantel der einstückig mit einem Kolben-

Patentansprflcne. g^ ausgebildet ist Die niedrigere Manteltemperatur

Kolben, insbesondere für einen Brennkraftmo- gestattet engere Toleranzen zwischen dem Kolbenman- ΆΖ££Ά —' Kolbenstange, ei- ₅ tel und einem Motorzylinder, und das dampft ebenfalls

ffiS8Si^<2-i£ ^KdÄ^rstehend genannten Konstruktion mit

SenSeWeifen, und einem getrennten Kopf und Mantel werden nutunter m

Sächen, wobei der Kolben- Hochleistungs-Dieselmotoren benutzt Der Au^ang XuetoanderumdieAch- to bzw. die Leistung eines Dieselmotors kann durch die

iedeT^iÄenrXingeii, dadurch ge- Verwendung eines Oberladers erheblich erhöht werden.

keSzic^rSißderMantel(12,62)eineLa- Dieselmotoren mit Oberladung belasten herkommhche

~££he eii fflVa'ufweist, die an einer äußeren La- Kolben bis zu ihrem Konstruktionshmit wegen des er-

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