DE2937107A1

DE2937107A1 - Kolben fuer verbrennungsmotoren, kompressoren und andere maschinen

Info

Publication number: DE2937107A1
Application number: DE19792937107
Authority: DE
Inventors: Georg Daxer; Duraid Mahrus
Original assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Current assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1980-03-27
Also published as: US4358881A; BR7806090A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Verbrennungsmotoren, Kompressoren und andere Maschinen, der aus einem Kopfteil und einem Schaftteil besteht.

Besonders der Kopfteil eines in derartigen Maschinen zur Verwendung kommenden Kolbens ist extremen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt und muß aus einem dementsprechend gewählten Werkstoff hergestellt sein.

Bekanntermaßen wird ein Kolben normalerweise aus einem einzigen Stü-k gegossen oder gepresst. Er besitzt einen Kopfteil , welcher in Verbrennungsmotoren in Kontakt ist mit der Verbrennungskammer und den dort herrschenden hohen Temperaturen, wobei er die Drücke der Verbrennungsgase mittels der Kolbenbolzenaugen und einem Kolbenbolzen auf ein Pleuel überträgt; außerdem besitzt er einen Schaftteil , der den Kolben im Inneren des Zylinders führt und die Seitenkräfte aufnimmt, die sich aus der Stellung der hin und her gehenden Bewegung des Pleuels ergeben. In dem Kopfteil des Kolbens befinden sich die Kolbenringe, die die Verbrennungskammer gegen den übrigen Teil des Motorblocks abdichten und damit keinen Gasverlust erlauben sowie auch verhindern, daß zuviel Schmieröl in die Verbrennungskammer eindringt.

Bei diesen gewöhnlichen und bekannten Kolben erhält der Schaftteil durch die Bearbeitung eine komplizierte Form,

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die in der Querrichtung zum Motor unrund, d. h. oval oder eiförmig ist und in der Längsrichtung bauchfönnig,was den Zweck hat, die thermischen und mechanischen Verformungen aufzunehmen, die von dea Kopftteil des Kolbens übertragen werden, und so trotz unterschiedlicher iVärmeausdchnung von Zylinder- und Kolbernaterial einen einwandfreien Lauf bei allen Betriebstemperaturen garantieren. Bei diesen Kolbentyp bilden der Schaftteil und der Kopfteil eine Einheit und sind aus demselben Werkstoff, gewöhnlich aus einer· Aluminiumlegierung hergestellt, die eine sehr viel höhere ,Värmeausdehnung besitzt als der -Verkstoff des ;,Iotorbloc'tcs und soinit die hohen Temperaturen absor-biert, die an Kopfteil des Kolbens auftreten; deshalb ist die komplizierte Bearbeitung uni Ausgestaltung des Kolbens notwendig, 'xa einer: entsprechenden Ausgleich des 3piels längs des Kolbens zu erreichen, und z-.var im kalten und im warmen Zustand des Uotors.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kolben für Verbrennungsmotoren, Kompressoren und andere Maschinen zu schaffen, dessen Schaftteil nicht eine komplizierte Formgebung haben mu3, sondern im wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein kann und bei dem dennoch ein einwandfreier Lauf im Zylinder bei allen Betriebstemperaturen gewährleistet ist, da.3 also im kalten Zustand ein Spiel zwischen Kolben und Zylinder vermieden wird, der Kolben im warmen Zustand aber auch nicht drückt oder fri3t.

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Erfindungsge::iä!3 wird dies dadurch erreicht, daß der Kopfteil und der Schaftteil des Kolbens als getrennte Bauteile hergestellt und mechanisch miteinander verbunden sind.

Schaftteil und Kopfteil des Kolbens können aus dem gleichen Werkstoff, z. B. Aluminium, oder vorzugsweise einer Aluminiumlegierung oder aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, wobei dann der Kopfteil vorzugsweise wiederum aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und der Schaftteil aus einer Eisenlegierung, besonders geeignet ist Stahl, besteht.

Für den Schaftteil kann auch Verbundwerkstoff verwendet '.verden, der 3vvei:netallisch sein kann oder nicht.

Bei einer derartiger. Konstruktion des Kolbens kann der Schaftteil in im wesentlichen zylindrischer Form hergestellt werden; denn eine Trennung zwischen Schaftteil und Kopfteil des Kolbens, auch wenn sie gering ist, verringert stark die Übertragung der iVäriüespannungen und der mechanischen Spannungen von dem Kopfteil auf den Schaftteil.

Vorteilhafterweise ist der Schaftteil rohrförmig, und zumindest seine für die Bewegung im Zylinder ausgebildeten Gleitflächen sind zylindrisch.

Der rohrförmige Schaftteil kann erfindungsgemäß aus

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einen entsprechend zugeschnittenen und gebogenen Materialstreifen hergestellt werden, dessen Längsnaht sicher verbunden wird.

Vorzugsweise wird der rohrförmige Schaftteil aus einem Stahlstreifenstück hergestellt, auf das in erfindungsgeaäßer Fortbildung eine Schicht aus Gleitwerkstoff aufgebracht ist, die nach dem Zuschneiden, Biegen und sicheren Verbinden des Stahlstreifens auf der äußeren Zylindermantel fläch e lie=~t.

Ss ist von Vorteil, wenn der Stahlstreifen schon vor dem Zuschneiden, 3iegen und Verbinden mit dem Gleitwerkstoff beschichtet wird.

Der Gleitwerkstoff kann ein Material sein, das gewöhnlich für Gleitlager verwendet wird; er kann eine Legierung sein, die ein oder mehrere Elemente, wie Blei, Z.inn, Aluminium, Kupfer und Graphit, enthält.

Vorzugsweise weist der Gleitwerkstoff, zumindest an seiner Kontaktoberfläche, ein plastisch verformbares Material, beispielsweise Kunststoff, auf.

Erfindungsgemäß kann die Verbindung zwischen Schaftteil und Kopfteil durch das Einpassen der Enden eines den unteren, dem Schaftteil zugewandten Teil des Kopfteils durchdringenden Kolbenbolzen} in zwei im Schaftteil sich

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diametral gegenüberliegend vorgesehene Öffnungen hergestellt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Paßflächen der Öffnungen im Schaftteil nach innen verlängert, wodurch die Stützfläche für den Kolbenbolzen vergrößert wird.

Die öffnungen und/oder ihre Verlängerungen können durch Verformen (Ziehen) des ,Verkstoffes des Schaftteils ausgebildet werden.

Zürch die erfindungsge:nä3e Ausbildung des Kolbens mit unabhängigem, gesondert hergestelltem Schaft werden im wesentlichen folgende Vorteile erzielt:

(1) Die Trennung von Kolbenschaft und Kolbenkopf in zwei Bauteile, die miteinander verbindbar sind, reduziert die '.Värmeübertragung vom Kopfteil auf den Schaftteil.

(2) Der getrennte Aufbau erlaubt es auch, den Schaftteil aus einem billigeren Werkstoff herzustellen, der au3erdea hinsichtlich seines 'iVärraeausdehnungskoeffizienten passend ausgewählt werden kann.

(3) Da die Wärmeübertragung vom Kopfteil auf den Schaftteil erheblich reduziert ist, kann der Schaftteil von

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zylindriseller oder im wesentlichen zylindrischer Forin sein, was die Herstellung und Fertigung des Schaftteils gegenüber dem mit dem Kopfteil einstückig und in unrunder Form ausgebildeten Schaftteil des Standes der Technik vereinfacht und kostengünstiger .nacht.

(4) Durch die erfindungsgeiria3e Ausbildung des Kolbens wird garantiert, daß das Spiel zwischen Kolben unö. Zylinder kastant bleibt und fast Null wird, auch während der Erwärmung während des Betriebes; das wiederum /emindert das Kolbengeräusch, v/enn der Kolben seine Stellung /on einer Seite zur anderen verändert.

(5) Der so garantierte gleichmäßige Lauf des Kolbens in Zylinder verringert die Last/erluste durch Reibung und sichert eine bessere Nutzung der Energie.

(6) Das Gesamtgewicht des Kolbens kann verringert werden, woraus sich ein geringerer Verbrauch von Kraftstoff ergibt.

Diese und andere Vorteile v/erden erzielt durch einen Kolben nach der vorliegenden Erfindung, der einen Kopfteil aus vorzugsweise einer Aluminiumlegierung und einen unterhalb angegliederten zylindrischen Schaftteil aus

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eine.2 zusammengesetzten Werkstoff besitzt, welcher innen ein Stahlblech und außen eine feine Schicht aus Gleitwerkstoff, z. B. einer Gleitlegierung, aufweist. Ein solcher Schaft wird erfindungsgemäß hergestellt aus einem sauberen Stahlstreifen, der vorbehandelt wird, wodurch er eine feine Gleitstoffschicht erhält, wie sie gewöhnlich in Lagerschalen, z. B. aus Weißmetall verwendet wird, oder aus irgendeinem anderen ϊ/erkstoff, der auf den Stahlstückstreifen aufgebracht werden kann, wie Kunststoffe oder Graphit. Dieser aus Stahlblech und dem Grleitv/erkstoff zusammengesetzte Streifen y/ird zerschnitten und zu Rohren gebogen, die an ihrer Längsnaht gegebenenfalls mittels mechanischer Verriegelung oder durcli andere mechanische LIittel und durch Verschweißen geschlossen werden. Die Öffnungen im Schaftteil für den Kolbenbolzen werden bearbeitet und/oder gezogen, je nach dem System der Bolzenverbindung. Diese Verbindung kann man erhalten mittels einer Stützung des Bolzens in dem durchbohrten Rohr oder mittels zusätzlicher Verbindungsbolzen. Die äußere Oberfläche des Rohres oder Schaftteils, welche die Gleit3toffschicht trägt, wird bearbeitet und erhält schließlich eine zylindrische Form.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführung sbeispielen anhand der anhängenden Zeichnung.

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ORIGINAL INSPECTED

Fig. 1 zeigt einen diametral und vertikal geführten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben, der die Unterteilung des Kolbens in Schaftteil und Kolbenteil deutlich werden läßt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsfom des erfindungsgemäßen Kolbens, wobei eine andere Unterteilung zwischen Kopfteil und Schaftteil besteht.

Fig. 4 zeigt einer. Querschnitt gemäß der Linie 3-3 in Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen im Durchmesser des Kolbens geführten vertikalen Schnitt einer weiteren Auüführungsfonn der Erfindung.

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt geiaäß der Linie Z-Z in Fig. 5.

Fig. 7 zeigt eine Art der mechanischen Verriegelung, wie sie benutzt werden kann, um die zylindrische Form des Schaftteiles zu schließen.

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,Yi e aus Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, besitzt der erfinduri'vs^caäße Kolben einen Kopfteil 10 aus einer Aluminiumlegierung mit nornalen äußeren Ringnuten 11 für die Kolbenringe (die in der Fig. nicht dargestellt sind) und ei rom paar Kolbenbolzenaugen 12 für die Lagerung des Kolbenbolzen 3 13» der die Verbindung zur Pleuelstange herstellt.

In diaoer Pau-irt wird der Schaftteil 20 des Kolbens getrennt aus ei::?.:; Stahlstreifen hergestellt, der entanro ;' eni vo: :>2handelt ist und der auf seiner einen ui:e:':".ä:..e e:r·? Schicht 22 einer jleitlegierung erhält, ■•vie sie in Lr^eir. gebräuchlich ist.

hit, anderen ,'/orten, der Schaftteil 20 des Kolbens kann aus .Yerksto f i'a:\ oder zvveckwä.liger aus Verbundstreifen, wie sie ί'ϋ.ι· iie Herstellung von Lagerschalen und anderer. Teilen üblich sind, hergestellt werden.

er'.vährite Streifeii ist aus Stahlblech und einem ¹J Lei twerkd toi"f zusa: i:nenj;ese tzt und kann durch verschiedene Verfahren, '.vie sie allgemeiner Stand der Technik sind, erhalten v/erden. Eine entsprechende Verbindung des Stahlblechs mit de:;i Gleitwerkstoff, der aus Metall oder einem anderen Material bestehen kann, ist ebenfalls nach dem Stand der Technik erreichbar.

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ORIGINAL INSPECTED

Der Verbundstreifen wird zugeschnitten und erhält durch Biegen eine zylindrische Gestalt, aus der der zylindrische Schaftteil 20 entsteht mit einen inneren Stahlstützteil 21, der eine äußere Schicht 22 aus dem Gleitwerkstoff trägt, die mit der Zylinderwand des Motcrs in B e ruh rung komn t.

Die Art der Verbindung zwischen de:?, Schaftteil 20 un i de.n Kopfteil 10 des Kolbens, ','/ie sie ?ig. 1 zeigt, wird erhalten du: :h die Enden des Kolbenbolzens 13, die in

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dianeöral entgegengesetzten gebohrten Offnungen 23/des Schaftteiles 20 gelagert sind. Die ?a3- oder Lageriläc.en dieser Öffnungen 23 des Schaftteiles 20 sind nach innen mittels der gezogenen Oberflächen 24· verlängert, --velo^e die Stützflächen des Bolzens 13 vergrößern.

In den Fig. 3 und 4 ist ein anderes System der Verbindung bzw. Gliederung zwischen dem Kopfteil 10 und dem Schaftteil 20a eines Kolbens gezeigt. In diesem Falle zeigt der Schaftteil 20a eine zylindrische Form mit zwei sekantenförmigen Längsabsjhnitten 25a, die einander diametral gegenüberliegend ausgebildet sind, wobei jeder dieser Längsabschnitte 25a eine nicht gezogene runde Öffnung 23a aufweist, in welche jeweils ein kleiner beweglicher Bolzen 26a mit einem nach außen bauchigen Kopf eingesetzt wird. Jeder der Bolzen 26a besitzt einen Fortsatz mit kleinerem Durchmesser, der in die Enden

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ORIGINAL INSPECTED

eines rohrförmigen Kolbenbolzens 13a pa3t, der die Verbindung zwischen Pleuel und Kolben herstellt. Es ist offensichtlich, daß die seitlichen abgeplatteten Längsabschnitte 25a des Schaftteiles 20a und die Abmessungen der Bolzer. ?5a so dimensioniert sind, da3 der äußerste Pur.kt des Kopfes der Bolzen 26a auf der Kreislinie liegt, die durch den kreisförmigen Außenrand des Schaftteiles 20a bestimmt ist.

In den Fig. 5 und ό wird ein Verbindungs- bzw. Gliederung sys te:.·, gereift, ,vie es in den Fig. 3 und 4 beispielhaft jargestellt ist, mit der Abwandlung, da3 der Schaftteil ^Qo keino seitlichen Abplattungen besitzt. In diese..i Beispiel besitzt der Schaftteil 20b ein Paar Öffnungen (Löcher) 23b, deren Flächen nach innen gezogen sinl, 'η die Köpfe der Bolzen 2ob aufzunehmen.

In Fig. 7 wird ein System der mechanischen Verbindung und Sicherung der Längskanten des Verbundstreifen3 in zylindrischer Fora des Schaftteiles 20 gezeigt. Fortsätze an der einen Längskante greifen in entsprechend ausgebildete Ausnehmung er. an der anderen Längskante.

2s versteht sich, daß diese Sicherung auf verschiedene iVeisen hergestellt werden kann, die hier nicht näher beschrieben und veranschaulicht werden, weil sie zum Stand der Technik gehören.

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ORIGINAL INSPECTED

Die Verbinduiigsarten zwischen Schaftteil und Kopfteil des Kolbens sind nicht auf die hier ,gezeigten und beschriebenen Formen, die nur beispielhaften Charakter haben, beschränkt, v/eil diese auch auf andere ./eise erhalten werden können.

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Claims

METAL LEVi 3.A. IÜJUSTRIA Ξ COWr^ JIO F;ua Brasilio Luz 5 35

04740 Sao Paulo - 3.P. -, Brasilien

Kolben für Verbrennungsmotoren, Kompressoren und andere Maschinen

Patentansprüche

( 1 .JKolben fir Verbrennungsmotoren, Kompressoren und andere Maschinen, der aus einen Kopfteil und eine;n Schaftteil beseelt,

dadurch gekennzeichnet, da3 der Kopfteil (10) und der Schaftteil (20) des Kolbens als getrennte Bauteile hergestellt und mechanisch miteinander verbunden sind.

?. Kolben nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß der Kopfteil (10) und der Schaftteil (20) des Kolbens aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der iVerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 der Kopfteil (10) und der Schaftteil (20) des Kolbens aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Kopfteil (10) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und der Schaftteil (20) aus einer Ei-cnlegierung, wie z. B. Stahl, besteht.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, da3 der Schaftteil (20) rohrförmig ist und zumindest seine für die Bewegung im Zylinder ausgebildeten Gleitflachen zylindrisch sind.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ronrförmige Schaftteil (20) aus einem entsprechend zugeschnittenen und gebogenen Materialstreifen hergestellt und an der Längsnaht sicher verbunden ist.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförraige Schaftteil (20) aus einem Stahlstreifenstück (21) hergestellt ist, auf das eine Schicht aus Gleitwerkstoff (22) aufgebracht ist, die nach dem Zuschneiden, Biegen und sicheren Verbinden des Stahlstreifens auf der äußeren Zylindermantelfläche liegt.

9- Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daS der Stahlstreifen (21) vor dem Zuschneiden, Biegen und Verbinden mit dem Gleitwerkstoff (22) beschichtet ist.

10. Kolben nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitwerkstoff (22) ein Material ist, das gewöhnlich für Gleitlager verwendet wird.

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11. Kolben nach einem der Ansprache 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitwerkstoff (22) eine Legierung ist, die ein oder mehrere Elemente wie Blei, Zinn, Aluminium, Kupfer und Graphit enthält.

12. Kolben nach einen der Anspräche ό bis 11, dadurch gekennzeichnet, da3 der Gleitwerkstoff (22), zumindest an seiner Kontaktoberfläche,ein plastisch verformbares Material, beispielsweise Kunststoff, aufweist.

13· Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindurj z'.vischen Schaftteil (20) und Kopfteil (10) durch das Einpassen der Enden eines den unteren, dem Schaftteil (20) zugewandten Teil des Kopf teils (U) durchdringenden Kolbenbolzens (13) in zwei im Schaftteil (20) sich diametral gegenüberliegend vorgesehene Öffnungen (23) hergestellt ist.

14. Kolben nach Anspruch I3» dadurch gekennzeichnet, daß die Paßflächen der Öffnungen (23) im Schaftteil (20) nach innen verlängert sind.

15. Kolben nach Anspruch 3 oder I4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (23) und/oder ihre Verlängerungen (24) durch Verformen (Ziehen) des Werkstoffes des Schaftteils (20) ausbildbar sind.

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