DE2755739C3

DE2755739C3 - Kolben für Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen mit einem außen am Grundkörper des Kolbenschaftes angebauten Element

Info

Publication number: DE2755739C3
Application number: DE2755739A
Authority: DE
Inventors: Egon Ing.(Grad.) 8501 Oberasbach Moelle
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH
Current assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH
Priority date: 1977-12-14
Filing date: 1977-12-14
Publication date: 1984-10-04
Also published as: DE2860706D1; IT7830841A0; FR2412011B1; AT372763B; DE2755739A1; GB1602039A; ES475949A1; ATA826178A; FR2412011A1; EP0002520B1; DE2755739B2; IT1100722B; EP0002520A1

Description

Die Eft Jidung betrifft einen Kolben für Hubkolben-Verbrcnnüugskraitrriaschiner!, bei dem außen am Grundkörper des Kolbenschaftes mindestens ein Mantelelement angebaut und zwischen diesem Mantelelement und dem Grundkörper eine elastische Schicht eingebracht ist

Eine wesentliche Anforderung an Kolben für Hubkolben-Verbrennungskraftmaschincn besteht darin, daß die Kolben bei allen Betriebstemperaturen trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Zylinder- und Kolbenwerkstoff einwandfrei laufen, ohne einerseits zu klappern "<der andererseits zu fressen. Zur Lösung dieses Problems wurden u. a. sogenannte Regel-Kolben entwickelt, die sich daduren auszeichnen, daß in den Grundkörper des Koloenscrwftes ring- oder bogenförmige Elemente aus einem Werkstoff mit anderer Wärmedehnzahl als der des Kolbcnwcrkstoffes eingebaut sind, um aufgrund der dadurch auftretenden Bimetall-Wirkung für eine möglichst satte Anlage der Kolbenlauffläche an der Zylinderlauffläche zu sorgen. Durch diese Maßnahme wird zugleich die beim Anlagewechsel des Kolbens von einer Zylindcrlaufbahnseite zur anderen akkumulierte kinetische Energie reduziert, die beim Auftreffen des Kolbens auf die Laufbahn des Zylinders Schwingungen in diesen anregt, die zu einem erheblichen Geräusch führen. Dieses Geräusch ist relativ laut und metallisch klingend. Dies gilt auch für einen bekannten Kolben dieser Art aus Leichtmetall (DE-AS 18 03 832), in dessen Kolbenschaft im wesentlichen ringsegmentförmig gestaltete Mantclelemente aus Stahlblech eingegossen sind, die sich von den Bolzennaben beiderseits in Richtung auf die Tragflächenmitten erstrecken, wobei /wischen ihren Enden ein Raum von einer gewissen Breite frcibleibt. In axialer Richtung erstrecken sich diese Mantelelemente von der Unterflanke der dem Kolbenschaft zunächst liegenden Kolbenringnut bis etwas unterhalb der Schaftmitte. Der Kolbenschaft wird dadurch /war im Bereich der Mantclelcmcnte in einen äußeren Schaftteil und einen inneren Schaftteil unterteilt, jedoch hängt der äußere Schaftteil mit dem Kolbenkopf im Bereich der Bolzennaben und ihrer Abstützungen zusammen, wodurch eine metallische Brücke gebildet ist. die auch bei diesem Kolben ein metallisches Geräusch beim Anschlagen an der Zylinderlauffläche bedingt.

Es wurde darüber hinaus in neueren Untersuchungen festgestellt, daß selbst bei Einhaltung sehr enger Toleranzen /wischen Kolben und Zylinder, insbesondere im Tcillastbcrcich, d. h. bei niedrigeren Temperaturbelastungen. ein Verkanten des Kolbens bezüglich seiner Achse nicht zu vermeiden ist mit der Folge, daß der Kolben entweder mit seinem oberen oder seinem unteren Schaftende an der Lauffläche des Zylinders '. anschlägt. Dieses Anschlagen erfolgt nicht nur beim Laufbahnwechsel am oberen Totpunkt sondern kann innerhalb eines Viertaktzyklus bis zu 8 mal erfolgen. Schon aus dieser Beobachtung ergibt sich die Notwendigkeit, die Geräuschdämpfung bei Kolbe; für Hubkol-'· ben-Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern. Hinzu kommen die immer strenger werdenden gesetzlichen Auflagen, die im Wege der Verminderung der Umweltbelastung das Ziel haben, die Geräuschentwicklung von Kraftfahrzeugen stets weiter zu senken, ü Bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als bekannt vorausgesetzten Kolben (US-PS 39 95 538) ist zwischen dem Kolbenschaft und dem daran außen angebauten Mantelelement eine Dämpfungshf'lse aus einem elaslomercn Material, ζ. B. Gummi, angeordnet. In der -'" äußeren Fläche der Dänipfungshülse sind axial verlaufende, jedoch nicht sich über die ganze axiale IJinge erstreckende Nuten ausgebildet die gemeinsam mit dem äußeren Mantelelcmcnt geschlossene Kammern bilden, in denen sich Luft befindet. Bei diesem Kolben -'*· soll eine Geräuschdämpfung beim Anschlagen des Kolbens an der Zylinderlauffläche durch Abbau der kinetischen Energie :ind damit auch der dabei auftretenden, zu Geräusch führenden Schwingungen nicht nur durch die Ausgestaltung der Dämpfungshülse aus einem elas" siomeren Material herbeigeführt werden, sondern durch zusätzliche Volumenänderung der Luftkammern aufgrund der auf das Dämpfungsglied wirkender, unterschiedlichen Radialdrückc. Die Dämpfungshülse wirkt damit im wesentlichen als Art pneumatischer Dämpfer, π Wie die US-PS 39 83 793 der Anmelderin der US-PS 39 95 5J8 zeigt, genügte der beschriebene Kolben mit dein pneumatischen Dämpfer weder den Temperaturbcanspruchungen noch den Anforderungen in bezug aul die Dämpfung. Bei dem im -'brigen im wesentlichen ·»'· gleich ausgebildeten Kolben nach der US-PS 39 83 793 wird in die Kammern der Dämpfungshülse von der KoI benkopfscilc her über Bohrungen im inneren Kolben schaft öl eingeführt, das an den unteren Enden dci Kammern über Bohrungen im inneren Kolbcnschaf ■^r' wieder abgeleitet wird. Das derart durch die: Dämp fungshülse gepumpte Ol sorgt nicht nur für die erforder liehe Kühlung des Dämpfungsglicds. sondern ergib auch eine zusätzliche hydraulische Dämpfung, inden durch Volumcnändcrung der Kammern und den da '■" durch herbeigeführten Transport des darin befiindlichei Öls zusätzlich kinetische Energie abgebaut wird. Di Dämpfungshülse dieses Kolbens ist danach cine Art hy draulischcr Dämpfer.

Die bekannten Kolbenkonstruktioncn sind rclati ~^Λ kompliziert im Aufbau. Dies gilt nicht nur schon für del bekannten Kolben mil dem pneumatisch wirkendei Dämpfer aufgrund der /wischen der Dämpfungshüls< und dem äußeren Mantelelcment ausgebildeten Luft kammern, sondern im verstärkten Maße für den be kannten Kolben mit dem hydraulisch wirkenden Dämp fer aufgrund der erforderlichen Führungen für das öl.

Aufgrund der Ausbildung der Kammern in de Dänipfungshülse der bekannten Kolben müssen dere Diimpfungshülsen auch eine relativ große Wandst.irk "■'· besitzen. Dadurch besteht bei den bekannten Kolbe die Gefahr, daß die Dänipfungshülse nicht in ausre chender Weise die Scherkräfte /wischen dem Kulber schaft und tlein außen angebauten Manlelclcment ube

tragen kann.

Aufgrund dessen sind bei den bekannten Kolben zur Erhöhung der Sicherheit die Dämpfungshülse und das äußere Mantelelement in axialer Richtung des Kolbens zwischen zwei Anschlägen gehalten. Daraus resultiert nicht nur das Erfordernis einer Zweiteilung des Kolbens senkrecht zu dessen Achse, sondern die geschilderten axialen Anschläge bilden auch metallische Geräuschbrücken, die das Laufgeräusch dieser Kolben wieder erhöhen. ι

Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der vorausgesetzten Art zu schaffen, der sich durch große Laufruhe bei einfachem Aufbau und deshalb preisgünstiger Herstellbarkeit auszeichnet

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben für Hubkolben-Verbreiinungskraftmaschinen der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß die elastische Schicht durch einen viskoelastischen Klebstoff als einziger Verbindung zwischen dem Mantelelement und dem Grundkörper gebildet ist

Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich durch eine große Laufruhe aus, da einerseits der viskoelastische Klebstoff für eine gewisse elastische Lagerung des mit der Zylinderlauffläche in Berührung kommenden Mantelelements des Kolbens sorgt, wodurch beim Anschlagen des Kolbens an der Zylinderlauffläche die kinetische Energie und damit auch die auftretenden, zu Geräusch führenden Schwingungen reduziert werden, und andererseits die Schicht aus viskoelastischem Klebstoff selbst eine Schalldämpfschicht bildet Da der viskoelastische Klebstoff die einzige unmittelbare Verbindung zwischen dem Mantelelement und dem Grundkörper des Kolbenschafts darstellt, sind zwischen dem Mantelelement und dem Kolbenschaft keine metallischen Brücken vorhanden, die ansonsten das Geräusch zwischen den Bauteilen des Kolbens übertragen und den metallischen Klang dieses Geräusches bedingen.

Nachdem das Mantelelement durch einen einfachen Klebvorgang mit dem Grundkörper des Kolbenschafts des Kolbens verbunden werden kann, weist der erfindungsgemäße Kolben einen einfachen Aufbau auf und ist damit billig herstellbar.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgtmäßen Kolbens besteht darin, daß die bei mangelhaften Schmierverhältnissen bei anderen Kolbenkcnstruktionen auftretenden großen Schäden durch Fressen und Abreißen des Kolbens von seiner Pleuelstange vermieden werden, weil das Mantelelement bei auftretenden hohen Reibungswiderständen auf- und schließlich abreißt, so daß Kolben und Pleuel nach wie vor in gewissem Umfang geführt werden, wodurch weitere Schäden vermieden werden.

Zwar sind schallgedämpfte Verbundmaterialien, die zumindest aus einer Basis aus einem metallischen Werkstoff und einer darauf aufgebrachten Schicht aus viskoelastischem Material bestehen, allgemein bekannt (z.B. DE-OS 20 14 894). Diese Verbundmatcrialicn werden in erster Linie für Gehäusekonstruktioncn in den verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt. An diese Gehäusekonstruktioncn sind allerdings nicht die Anforderungen bezüglich Scher- und Tcmperaturbelastung gestellt, dencii ?in Kolben für Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen unterliegt.

Das bei dem erfindungstemäßen Kolben eingesetzte Mantelelement kann sowohl ring- als auch bogenförmig bzw. ringsegmentförmig ausgestaltet sein. Diese Formgestaltungen für derartige Mantelelemente bzw. Einlagen sind an sich bekannt (DE-AS 18 03 832; AT-PS 76 247).

In Übereinstimmung mit den an sich bekannten Regelkolben (AT-PS 76 247) kann auch bei der erfindungsgemäßen Lösung das Mantelelement von der Zylinderform abweichen. Ein gleiches gilt für die Maßnahmen, daß das Mantelelement und der Grundkörper des Kolbenschaftes im Anordnungsbereich des Mantelelements gleiche oder unterschiedliche Wanddicken haben und daß das Mantelelement und der Grundkörper des Kolbens aus Werkstoff mit gleicher Wärmeausdehnung bestehen.

Der erfindungsgemäße Kolben besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Als Klebemittel hat sich ein hochwertiger, viskoelastischer, alterungsbeständiger Kunstharz-Dispersions-Klebstoff auf Acrylat-Basis bewährt, der nicht nur in der Lage ist, die /wischen dem Mantelelement und dem Kolbenschaft auftretenden Scherkräfte ohne weiteres aufzunehmen, sondern auch die am Kolbenschaft auftretenden Betriebstemperaturen ohne Schwierigkeiten auch über lange Betriebszeiten verträgt. Die Dicke der viskoelastischen Klebemittelschicht kann ca. 10 Mikron beiragen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Achsschnitt durch ein erstes Ausführungsbetspiel des erfindungsgemäßen Kolbens, bei welchem das auf der Außenseite des Kolbenschafts angebrachte Mantelelement im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenschafts reicht, und

F i g. 2 einen Achsschnitt durch ein zweites Ausfüh-¹ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens, bei welchem mehrere Mantelelemente auf dem Grundkörper des Kolbenschafts angeordnet sind.

Wie sich aus den beiden Figuren ergibt, ist der Kolben insgesamt mit 1 bezeichnet während der Grundkörper ¹ des K- .!benschaftes das Bezugszeichen 2 trägt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.T ist auf der äußeren Mantelfläche des Grundkörper; 2 dei Kolbenschaftes mittels einer viskoelastischen Klebemittelschicht 3 ein Mantelelement 4 aufgeklebt. Durch diese Anordnung ist, wie bereits ausführlich erläutert wurde, ein äußerst gut schallgedämpfter Kolben geschaffen.

Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind in der Lauffläche 2a des Grundkörpers 2 des Kolbenschaftes zwei Mantelelemente 4a und Ab ¹ vorgesehen. Jedes dieser Elemente 4a bzw. Ab ist in einer entsprechenden Nut 2b bzw. 2c in der Lauffläche 2a des Grundkörpers 2 eingelegt und mittels einer viskoelastischen Klebemittelschicht 3a bzw. 3b mit dem Grundkörper 2 verklebt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben für Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen, bei dem außen am Grundkörper des Kolbenschaftes mindestens tAn Mantelclcment angebaut und zwischen diesem Mantelclement und dem Grundkörper eine elastische Schicht eingebracht ist. dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Schicht durch einen viskoelastischen Klebstoff (3; 3a, 3b) als einziger Verbindung zwischen dem Mantelelement (4; 4a. 4b) und dem Grundkörper (2) gebildet ist

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Mantelelement ringförmig (4) oder bogenförmig {4a) ausgebildet ist.