DE2811415A1

DE2811415A1 - Gegossener leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE2811415A1
Application number: DE19782811415
Authority: DE
Inventors: Gerald Longfoot; David Clement Speaight
Original assignee: Wellworthy Ltd
Current assignee: Wellworthy Ltd
Priority date: 1977-03-21
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1979-02-15
Also published as: US4228727A; IT1104382B; JPS53117115A; FR2385009A1; IT7846831A0; FR2385009B3; GB1592182A

Description

Anmelder;

Wellworthy Limited, Lymington Hampshire S04 9YE, England

Gegossener Leichtmetallkolben

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf Leichtmetallkolben, die z.B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.

Bei der Konstruktion und Herstellung von Kolben für Brennkraftmaschinen wird große Sorgfalt darauf verwendet, um ausreichend Laufspiel für die Kolben unter allen vorhersehbaren Motorbetriebsbe~ dingungen vorzusehen, und insbesondere werden Anordnungen für eine ausreichende Kühlung und Schmierung des Kolbens während seines Betriebes getroffen. Nichtsdestoweniger können durch Versagen der Kühl- oder Schmiereinrichtungen bzw. -Verbesserungen oder durch Fehlfunktion einiger anderer Komponenten Erscheinungen dennoch dahingehend eintreten, daß ein Fressen oder Festsetzen des Kolbens im Motor eintreten kann. Insbesondere in Fällen, -z.B. bei Schiffsschnelläufern oder in Lokomotiven, wo die Motoren eine große Anzahl von Zylindern aufweisen und die Bedienungsperson bzw» der Verant-^ wortliche sich in einer vom Motor ferngelegenen Kabine befindet, kann der Motor im Falle eines Kolbenfresser aufweisenden Kolbens mit voller Leistung der übrigen Zylinder weiterlaufen, bis der betreffende Kolben und/oder der zugehörige Zylinder im wesentlichen

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auseinandergebrochen ist, was eine sehr ernsthafte Beschädigung des Motors zur Folge hat.

Um die Möglichkeit einer solchen Beschädigung, die von Kolbenfreßerscheinungen herrührt, insbesondere in Fällen der vorerwähnten Art, zu reduzieren, ist vorgeschlagen worden, geschmiedete Aluminiumkolben zu verwenden, da solche Kolben eine größere Zähigkeit bzw. ein größeres Dehnungsvermögen aufweisen als gegossene Kolben, so daß von dem geschmiedeten Material gesagt werden kann, daß es die Gefahr eines Kolbenbruchs verringert, bevor ein Motor im Fall einiger Versagungsgründe, die z.B. im Kühl- oder Schmiersystem begründet liegen, stillgesetzt werden kann. Jedoch ist es bei der Konstruktion eines Motors nicht immer möglich, den Erfordernissen der Verschleißfestigkeit und einer ausreichenden Kolbenkühlung Rechnung zu tragen, wenn geschmiedete Kolben verwendet werden.

Demnach besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Konstruktion eines gegossenen Leichtmetallkolbens zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung nach einem Gesichtspunkt einen gegossenen Leichtmetallkolben vor, der eine Mehrzahl von sich längserstreckenden Verstärkungsgliedern aufweist. Diese Glieder sind ±n dem Kolben durch Gießen eingebettet oder auf andere Weise in dem gegossenen Metall des Kolbens angeordnet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist ein gegossener Leichtmetallkolben mit einer Mehrzahl sich längs-

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erstreckender Verstärkungsglieder vorgesehen, die an vorbestimmten Stellen im gegossenen Kolben vorgesehen und so aufgebaut sind, daß sie eine Druckb.elastung auf das Kolbenmaterial im Bereich der Verstärkungsglieder ausüben.

Vorteilhaft sind die Verstärkungsglieder benachbart zu den sich
gegenüberliegenden Seiten jedes Kolbenbolzenlagerauges vorgesehen, welch letzteres im Kolbenschaft angeordnet ist. Wenn es gewünscht wird, kann ein einzelnes Verstärkungsglied in Form eines Bügels
für jedes Kolbenbolzenlagerauge vorgesehen werden, wobei sich die Schenkel des Bügels in Längsrichtung des Kolbens erstrecken und
sich der Quersteg des Bügels oberhalb des Kolbenbolzenlagerauges
erstreckt, d.h. auf derjenigen Seite, die dem Kolbenkopf benachbart ist.

In einer weiteren Konstruktion sind die in Richtung zum Kolbenkopf angeordneten Enden der Verstärkungsglieder durch ein im allgemeinen ringförmiges Glied miteinander verbunden, das dazu dient _f den Druckflächen bzw. Gleitflächen des Kolbens eine Stützung zu geben.

Die Verstärkungsglieder können die Form yon Bolzen aufweisen, die mit ihren Köpfen zum Kolbenkopf weisend und mit ihren Gewindeunterenden gegenüber dem Unterende des Kolbens vorstehend im Gußmaterial eingebettet sind. Auf die Gewindeenden sind Muttern aufgeschraubt, so daß ein vorbestimmtes Drehmoment durch Anziehen der Muttern auf die Bolzen angewendet werden kann, wodurch, ein kontrollierter Betrag einer Druckbelastung vorgesehen wird. Alternativ können die Bolzen

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auch in Fassungen eingesetzt sein, die in Bohrungen gelagert sind, die nach dem Gießen in das Kolbenmaterial eingearbeitet worden sind. ■

In einer weiteren Konstruktion weisen die Verstärkungsglieder die Form einer Stange oder eines Stabes auf, deren bzw. dessen beide Enden vergrößert ausgebildet sind bzw. eine Verdickung aufweisen, die im gegossenen Material des Kolbens eingebettet sind. Der Grad der vorgesehenen Druckbelastung ergibt sich aus der Ausdehnung des gegossenen Materials des Kolbens bei dessen Arbeitstemperatur.

Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrerer in den anliegenden Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt nach, der Linie X-I in Fig* 2 durch eine erste Ausführungsform nach der Erfindung ,

Fig. 2 eine Unteransicht auf den Kolben nach Fig. 1,

Fig. 3a Abänderungen eines Kolbens nach Fig. Λ im Teil-

und 3b. ^ .,,,
schnitt,

Fig. 4 weitere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung, und 5

Fig."6 einen Radialschnitt nach der Linie VI-VI in Fig„ 5.

In den Fig,. 1 und 2 ist ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung allgemein mit 3 bezeichnet -und nilt mehreren Kolbenringnuten 2, einem Ölkühlkanal 3 und mit Kolbenbolzenlagerangen 4 versehen,. Eine Ring-

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nut oder mehrere Ringnuten können mit einem verschleißfesten Einsatz versehen sein, wie es bei 2a angegeben ist. Auf jeder Seite jedes Kolbenbolzenlagerauges· 4 ist ein Verstärkungsglied oder ein Bewehrungsglied 5 vorgesehen, das sich in Längsrichtung des Kolbens erstreckt, wobei ein Ende 5a am unteren Ende des Kolbens vorsteht, jedoch noch innerhalb des Umfangs des Kolbenschaftes liegt. Das Verstärkungs^ oder Bewehrungsglied wird vor dem Vergießen der Aluminiumlegierung in eine Kolbenform eingelegt, so daß es im Kolben eingebettet ist, wenn dieser gegossen ist. Jedes Verstärkungsglied besteht aus einem Bolzen aus hinsichtlich der Zugbeanspruchung hochfestem Stahl und weist einen vergrößerten Kopf 5b an seinem Innenende auf und ist wenigstens an seinem Unterende 5a mit einem Gewinde versehen, um eine Mutter 6 aufzunehmen, die durch eine Unterlegscheibe 7 unterlegt ist. Durch Anwendung eines vorbestimmten Drehmomentes auf die Mutter 6 am Unterende eingegossenen Verstärkungsbolzens 5 kann ein kontrollierter Betrag einer Druckbelastung in dem gegossenen Körper des Kolbens geschaffen werden.

Die Fig, 3a zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel, bei dem die Bolzen nach dem Gießen des Kolbens angebracht sind, und zwar durch Bohren von Bohrungen 8 in das Material des Kolbens und durch Einschrauben der Gewindeenden der Bolzen in eine Gewindeeinsatzhülse 9, die in den Bohrungen 8 befestigt ist. Die Druckbelastung wird durch kontrolliertes- Anziehen der Bolzen ausgeübt.

Die Fig. 3b zeigt eine weitere Au.sführungsform, bei: der eingegossene

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Verstärkungsglieder 5 aus Stäben oder Stangen aus zughochfestem Stahl vorgesehen sind, die einen verdickten Kopf Io an jedem Ende aufweisen, wobei ein Kopfende in Nähe des Unterendes des Kolbens angeordnet ist. Bei dieser Konstruktion werden Druckbelastungen auf die Verstärkungsglieder dadurch ausgeübt, daß sich die Aluminiumlegierung des Kolbens bei der Arbeitstemperatur des Kolbens im Motor ausgedehnt hat.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das eingegossene Verstärkungsglied, das- jedem Kolbenbolzenlagerauge zugeordnet ist, die Form eines Bügels aufweist, der z.B. U-förmig ausgebildet ist und aus hochzugfestern Stahl besteht. Die Schenkel 31a des Bügels erstrecken sich in Längsrichtung des Kolbens auf jeder Seite der Kolbenbolzenlageraugen, während der Quersteg 11b des Bügels oder des U-förmigen Bolzens eine Bewehrung bzw. eine Verstärkung bildet, die sich quer oberhalb des Kolbenbolzenlagerauges erstreckt. Jeder Schenkel 11a endet in einem vorstehenden Gewindeende 11c, auf das eine Mutter 6 aufgeschraubt ist. Die Muttern sind festgezogen, "um die gewünschte Druckbelastung auf die Schenkel 11a durch Wirkung der Muttern auszuüben. Eine solche Konstruktion ergibt eine größere Festigkeit um die Lagerflächen der Kolbenbolzenlageraugen und neigt dazu, die Wahrscheinlichkeit vertikaler Brücher durch die Kolben— bolzenlagerflachen zu vermindern.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die eingegossenen Bolzen 5 den in Fig,. 3 verwendeten Bolzen gleichen mit der Ausnahme, daß die Oberenden der ""Bolzen an einem kreis-

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förmigen Ring 13 befestigt sind, der in dem gegossenen Kolbenmaterial gerade unterhalb der untersten Kolbenringnut eingebettet ist. Eine solche Anordnung ergibt eine größere Abstützung gegenüber den Druckflächen bzw. Gleitflächen des Kolbens, wo Brüche vorkommen können, die aus einem erhöhten Seitendruck resultieren. Wie schon vorstehend erwähnt, werden auch hier die Muttern 6 an den unteren Gewindeenden 5a der Bolzen 5 aufgeschraubt, um die gewünschte Druckbelastung zu schaffen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß es mit den Anordnungen nach der Erfindung möglich, ist, die Tendenz zur Entstehung von Brüchen, die ihren Entstehungsgrund in den axialen Zugkräften im Kolben haben, verringert ist, und zwar durch Erteilen bzw. Ausüben einer Druckbelastung auf den gegossenen Aluminrumkörper im Bereich der Kolbenbolzennaben.

Indem die Verstärkungs— bzw. Bewehrungsglieder aus Stahl bestehen, werden bei den vorstehend beschriebenen Anordnungen Zugkräfte, die auf das Gußmaterial des Kolbens ausgeübt werden, eine zusätzliche Zugbeanspruchung bzw. Zugbelastung auf die Verstärkungsglieder bewirken, die etwa dreimal so hoch ist wie diejenige Belastung, die auf die Aluminiumlegierung aufgrund des Verhältnisses der Elastizitätsmoduls (Ε-Moduls) ausgeübt wird. Daraus wird der Vorteil der anfänglichen Druckbelastung in der Aluminiumlegierung ohne weiteres ersichtlich.

Während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind,

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ist es klar, daß verschiedene Änderungen ohne Abweichungen vom Erfindungsgedanken vorgenommen werden können. So können die Verstärkungs— bzw. Bewehrungsglieder auch aus anderen Materialien bestehen als aus hochzugfestern Stahl und können auch an anderen Stellen im Kolben angeordnet sein, wenn sich solche als vorteilhaft herausstellen.

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Claims

PAnrtamrtlta 9 Q 1 1 / 1 C

Dr. Huso Wifcken - 4 O I I 4 I O

DIpHng. Thorn-ι Wücken

Dipl.-Che.TR. Or. VV .-.-ans Laufer · 14. März 1978

A4 tilfeeck, Grt.te 3:ra8o 02-54

Anmelder:

Wellworthy Limited, Lymington Hampshire S04 9YE, England

Patentansprüche

Μ.JGegossener Leichtmetallkolben, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl sich längserstreckender Verstärkungsglieder (5) einschließt.
2. Kolben nach. Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich längserstreckenden Verstärkungsglieder (5) an vorbestimmten Stellen im gegossenen Kolben vorgesehen und so aufgebaut sind, daß sie eine Druckbelastung auf das Kolbenmaterial im Bereich der Verstärkungsglieder ausüben.
3. Kolben nach Anspruch ] oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsglieder (.5) benachbart zu den sich gegenüberliegenden Seiten jedes im Kolbenschaft vorgesehenen Kolbenbolzenlagerauges (4) angeordnet sind.
4. Kolben nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsglieder (5) die Form von Bolzen aufweisen, die mit ihrem Kopf (5b) im Richtung zum Kolbenkopf und mit ihrem Gewindeunterende (5a) am anderen Kolbenende vorstehend im Gußmaterial eingebettet sind, wobei· die Gewindeenden mit Muttern (6) versehen sind.

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5. Kolben nach Anspruch 1 oder 3, letzterer abhängig von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsglieder (5) die Form von Bolzen aufweisen, die in Gewindefassungen (9) eingreifen, welche in im Kolbenmaterial ausgebildeten Bohrungen (8) angeordnet sind.
6. Kolben nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsglieder (5) in der Form von Stangen oder Stäben vorgesehen sind, die eine Vergrößerung bzw. Verdickung (lo) an beiden Enden aufweisen und in dem Gußmaterial des Kolbens (1) eingebettet sind.
7. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Kolbenbolzenlagerauge (4) ein einziges Verstärkungsglied (5) in Form eines Bügels vorgesehen ist, wobei die Schenkel HIa) der Bügel sich in Längsrichtung des Kolbens (1) erstrecken und sich der Quersteg (üb) der Bügel oberhalb des Kolbenbolzenlagerauges erstreckt.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel (lla) in einem Gewindeende (11c) endet, das am Kolbenunterende vorsteht und eine Mutter (6) trägt.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Bügel mit einem Brückenglied (12) versehen, das sich zwischen den Schenkeln (11a) jedes Bügels erstreckt und den Muttern (6) untergelegt ist.

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lo. Kolben nach den Ansprüchen Λ bis 4 oder fi, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung des Kolbenkopfes weisenden Enden der Verstärkungsglieder (5) durch ein im allgemeinen ringförmiges Glied (13) miteinander verbunden sind.

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