DE3228616A1

DE3228616A1 - Kolben fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3228616A1
Application number: DE19823228616
Authority: DE
Inventors: Ludovico Torino Bruni
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1982-07-30
Publication date: 1983-03-03
Also published as: ES514560A0; DE3273182D1; ES8402048A1; DK341182A; CH650319A5; HK15286A; FR2510661A1; MX154283A; IN154496B; DK157461B; CA1211010A; FR2510661B1; EP0071361A3; EP0071361A2; SE8204488D0; AU8665782A; DE3228616C2; NL8202966A; US4674399A; EP0071361B1

Description

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungsmotoren.

Ein herkömmlicher Kolben für einen Verbrennungsmotor umfaßt einen Kolbenkopf, ein Kolbenbolzenauge und eine Kolbenwand, welche sich rund um den gesamten Kolben erstreckt. Die Kolbenwand hat keine gasdichtende Funktion, sondern diese wird durch die Kolbenringe geliefert, die vom Kolben getragen sind. Stattdessen überträgt die Kolbenwand die seitliche Schubkraft auf den Kolben, die von einem Pleuel während der Hin- und Herbewegung erzeugt wird, auf einen zugeordneten Zylinder oder eine zugeordnete Laufbuchse.

Obwohl das Gewicht derartiger Kolben in den letzten Jahren durch Verwendung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen verringert wurde, sind doch solche Kolben noch verhältnismäßig schwer, und der Bereich der Kolbenwand in Berührung mit dem Zylinder oder der Laufbüchse liefert eine beträchtliche Reibungskraft, welche vom Motor unter Verringerung seiner Leistungsabgabe

überwunden werden muß. Es gab bereits verschiedenartige Vorschläge, um die Fläche der Kolbenwand zu verringern, aber sie haben ganz allgemein keinen komnerziellen Erfolg erreicht, und zwar wegen dem Problem der Schmierung und der Starrheit der Kolbenwand.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, mit einem Kolbenkopf, einem Kolbenbolzenauge und an beiden Seiten jener Ebene, welche die Kolbenbolzenachse und die Kolbenachse aufnimmt, mindestens zwei Lagerflächen, von welchen eine Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen zum kolbenkopfseitigen Ende des Kolbens hin verlagert ist und um einen sich axial und in ümfangsrichtung erstreckenden Spalt einen Abstand gegenüber der verbleibenden Oberfläche oder den verbleibenden Oberflächen in axialer Richtung aufweist, wobei die Lagerflächen um eine Ebene angeordnet sind, welche die Kolbenachse aufweist und senkrecht zur Achse des Kolbenbölzenauge steht, und sich nur teilweise rund um den Kolben erstrecken.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, mit einem Kolbenkopf, einem Ringband und an beiden Seiten der Ebene·, welche die Achse des Kolbenbolzenauges und des Kolbens aufweist, zwei Lagerflächen oder Gruppen von Lagerflächen, welche sich nur teilweise um den Kolben auf jeder Seite einer Ebene erstrecken, welche die Kolbenachse aufweist und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht » wobei eine Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen vom Ringband getragen ist und die andere Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen gegenüber dem Ringband einen Abstand aufweist und an einer oder mehreren Streben getragen ist. Es folgt eine detaillierte, beispielartige Beschreibung zweier Ausführungsbeispxele der Erfindung, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen

genommen wird ; in diesen ist:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer ersten Form eines Kolbens ,

Fig. 2 ein Schnitt längs Linie II-II in Fig. 1 , Fig. 3 eine Seitenansicht einer alternativen Aus-

führungsform der ersten Form der Erfindung, Fig. 4 eine schematische Ansicht von unten her auf den Kolben der Fig. 1 und 2,

Fig. 5 eine schematische Ansicht von unten her auf den Kolben der Fig. 3,

Fig. 6 ein Schnitt an den Linien VI-VI der Fig. 1 oder 3, Fig. 7 eine Seitenansicht einer zweiten Form eines Kolbens,

Fig. 8 ein Schnitt längs Linie VII-VII in Fig. 7, Fig. 9 ein Schnitt längs Linie VIII-VIII in Fig. 7_r und Fig. 1OA sowie 10B jeweils ein alternativer Schnitt an der Linie X-X der Fig. 7.

Es wird zunächst auf die Fig. 1, 2 und 4 Bezug genommen; der erste Kolben 1 umfaßt einen Kolbenkopf 2, der von einem Ringband 3 zur Aufnahme der Kolbenringe (nicht gezeigt) umgeben ist. Ein einziger Kolbenbolzenvorsprung 6 ist vorgesehen, welcher ein Kolbenbolzenauge (siehe Fig. 2} umgrenzt, ,,das sich durch den Kolbenring hindurch erstreckt.

An beiden Seiten einer Ebene, welche die Achse des Kolbenbolzenauges enthält, ist der Kolben mit zwei Lagerflächen 4, 5 versehen, die durch einen sich axial und in ümfangsrichtung erstreckenden Spalt voneinander getrennt sind. Die kolbenkopfseitige Lagerfläche 4 steht vom Ringband aus nach unten (siehe Fig. 2), während die verbleibende, untere Lagerfläche 5 mit dem Kolbenbolzenvorsprung 6 durch ein Paar Streben 7 verbunden ist (die so ausgebildet sein können, wie dies unten unter Bezugnahme auf die Fig. 10A und 1OB beschrieben ist). Die untere Lagerfläche 5 ist somit überstehend durch die Streben 7 vom Kolbenbolzenvorsprung 6 aus getragen

-A-

und weist sonst keine Abstützung auf. Die Lagerflächen 4, 5 sind symmetrisch um eine Ebene angeordnet, welche die Kolbenachse umfaßt und senkrecht zur Kolbenbolzenachse steht (d.h. die Schnittebene der Fig. 2) und er-

§ strecken sicn nur teilweise um den Umfang des Kolbens. Sie können sich beispielsweise bis zu 45° auf jeder Seite dieser Ebene erstrebken.

In einer abgewandelten Anordnung (nicht gezeigt) können 2Q die Streben 7 die Lagerfläche 5 zusätzlich zur Lagerfläche 4 tragen.

Die Lagerflächen 4, 5 weisen allgemein die Form von Zylindersegmenten auf, wobei die untere Kante der kolbenkopfseitigen Lagerfläche 4 und die zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Kanten der unteren Lagerfläche 5 jeweils in Ebenen senkrecht zur Kolbenachse liegen. Diese Kanten sind mit Abschrägungen 8 versehen.

Eine bevorzugte Form der unteren Lagerfläche 5 und der zugeordneten Abschrägung 8 ist in Fig. 6 auf sehr übertriebene Weise gezeigt. Die Fläche 5 ist in Ebenen gekrümmt, welche die Kolbenachse umfassen, mit einer maximalen radialen Tiefe (x in Fig. 6) von beispielsweise 0,02 mm. Die Abschrägungen 8 verlaufen planar in Ebenen, welche die Kolbenachse enthalten, wobei die Länge der Abschrägungen 1 mm beträgt und die Abschrägungen unter einem Winkel von 15° zur Vertikalen geneigt sind oder die Länge der Abschrägungen 1_ mm beträgt.mit einer radialen Tiefe (y in Fig. 6) von 0,04 mm. Die Abschrägungen 8 können allerdings auch gekrümmt sein, und es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß sie und die Oberfläche irgendeine geeignete Form aufweisen können. Es wird auch darauf hingewiesen, daß die Abschrägung 8 an der unteren Kante der kolbenkopfseitigen Lagerfläche 4 Abmessungen ähnlich der bevorzugten, oben beschriebenen Form aufweisen können.

W.

Bei der Verwendung werden die seitlichen Schublasten an dem Kolben auf den zugeordneten Zylinder oder die zugeordnete Laufbüchse 20 (Fig. 6) durch die Lagerflächen 4, 5 übertragen. Die Anwesenheit der Abschrägungen 8 sichert eine Schmiermittelzufuhr über die Lagerflächen 4,5 hinweg während ihrer Hin- und Herbewegung durch Bildung eines Kanales mit sich verringernden Abmessungen, der zur zugeordneten Oberfläche führt. Dies preßt das Schmiermittel über die Oberflächen und stellt somit eine volle, hydrodynamische Schmierung sicher.

Bei der unteren Lagerfläche 5, welche so gekrümmt ist,^ wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, unterstützt auch die Krümmung die Sicherstellung einer geeigneten Schmierung. Die verringerte Abmessung der Lagerflächen 4, 5 und die hierdurch in der Kolbenwand umgrenzten Fenster verringern das Gewicht des Kolbens, so daß die Leistungsaufnahme verringert ist. Zusätzlich sind Reibungsverluste bei der Berührung zwischen Kolben und dem zugeordneten Zylinder oder der zugeordneten Laufbüchse als Ergebnis der verkleinerten Fläche der Lagerflächen verringert, verglichen mit einem herkömmlichen Kolben, der eine durchgehende Kolbenwand aufweist. Weil die Oberflächen'in geeigneter Weise geschmiert sind, kann auch ihr Abstand bei einem konstanten Größenwert gehalten werden, ohne daß eine Erhöhung des Oberflächenbereichs an den Mitten der Flächen erforderlich wäre. Diese Maßnahmen verringern gemeinsam die Kosten des Kolbens und verbessern die Leistungsfähigkeit eines

Motors, der mit dem Kolben ausgestattet ist. 30

Es wird als nächstes auf die Fig. 3 und 5 Bezug genommen; der hier gezeigte, abgewandelte Kolben ist allgemein ähnlich den Kolben der Fig. 1,2 und 4, und Teile, die bei den Fig. 3 und 5 und den Fig. 1,2 und gemeinsam auftreten, sind mit denselben Bezugszeichen versehen, jedoch mit dem Suffix a, und sie werden im einzelnen nicht mehr beschrieben. Bei diesem abgewandelten Ausführungsbeispiel sind die vom Kolbenkopf

abgelegenen Lagerflächen 5 je . durch ein Paar mit Umfangsabstand angeordneter, allgemein rechteckiger Sektoren 9 ersetzt. Statt nur einen einzigen Kolbenbolzenvorsprung 6 vorzusehen, ist ein Paar mit Abstand angeordneter KolbenbolzenvorSprünge 6a vorgesehen, und jeder Sektor 9 eines jeden Sektorpaares ist mit einem zugeordneten Vorsprung 6a durch eine Strebe 7a verbunden (welche so ausgebildet sein kann, wie dies unten unter Bezugnahme auf die Fig. 1OA und 10B beschrieben ist).

Die Sektoren 9 sind mit Abschrägungen auf dieselbe Weise versehen wie die Lagerfläche 5 und können Querschnittsabmessungen aufweisen, wie sie oben unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben sind. Die Sektoren 9 sind axial ausgerichtet.

Ein Metallring 10, der in Fig. 3 und 5 gestrichelt gezeigt ist, verbindet die vier Sektoren 9 und wirkt zur Kontrolle der Expansion der Sektoren 9 in radialer Richtung.

Der Kolben der Fig. 3 und 5 arbeitet auf allgemein dieselbe Weise wie der Kolben 'der Fig. 1, 2 und 4, und mit allgemein denselben Vorzügen. Da allerdings die Sektoren 9 eine kleinere Fläche aufweisen als die Lagerfläche 5, liegt eine weitere Verringerung sowohl am Gewicht wie auch an der Reibung mit den hieraus folgenden Vorteilen vor.

Es wird als nächstes auf die Fig. 7, 8 und 9 Bezug ^O genommen; der zweite Kolben umfaßt einen Kolbenkopf 12, der von einem Ringband 13 umgeben ist, welches Nuten zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht gezeigt) umfaßt. Ein einziger Kolbenbolζenvorsprung 16 ist vorgesehen, welcher ein Kolbenbolzenauge begrenzt (siehe Fig. 8).

Der Kolben ist an jeder Seite einer Ebene, die die Kolbenachse und die Achse des Kolbenbolzenauges umfaßt, mit einer kopfendseitigen Schubfläche 14 versehen, sowie

r .

einer Schubfläche 15, die vom Kopfende abgelegen ist.

Die beiden Schubflächen sind durch einen Wandabschnitt 14a verbunden, der am besten in Fig. 7 und 8 zu sehen ist. Die Schubfläche 15, die vom Kopfende abgelegen ist, ist mit dem Kolbenbolzenauge durch Streben 17 (siehe Fig. 8) verbunden, während die kopfendseitige Schubfläche 14 mit dem Ringband 13 verbunden ist. Somit ist ein einziges Teil gebildet, welches ein Kopfende aufweist, das mit dem Ringband 13 verbunden ist, und mit dem unteren Ende mit dem Kolbenbolzenvorsprung 16 durch die Streben 17 verbunden ist. Die sich axial erstreckenden Seitenkanten 18 des Verbundteiles begrenzen jeweils öffnungen, die zu einem Umfangshohlraum S (Fig. 8) führen, der sich zwischen dem Verbundteil und dem Rest des Kolbens erstreckt.

Da die untere Lagerfläche bei diesem Ausführungsbeispiel und die untere Lagerfläche oder Lagerflächen 5, 9 der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 6 lediglich von den jeweiligen Streben 7, 17 getragen sind, sind diese Streben hoch belastet. Um irgendeine Möglichkeit des Versagens der Streben zu verhindern, können die Streben mit einem Flansch versehen werden, so daß sie beispielsweise den T-förmigen Querschnitt der Fig. 1OA oder den +-Querschnitt der Fig. 10B aufweisen.

Die Lagerflächen 14, 15 und der '¹ZW an dab schnitt 14a sind symmetrisch um eine Ebene angeordnet, welche die Kolbenachse einschließt und senkrecht zur Achse des KoI-^ow benbolzenauges steht (d.h. die Ebene der Fig. 8). Die Lagerfläche 15, die vom Kolbenkopf entfernt ist, weist eine größere ümfangserstreckung auf als die Wand 14a und die kopfseitige Lagerfläche 14, welche gleiche Umfangserstreckung aufweisen. Es können beispielsweise

die Lagerflächen 15, die vom Kopf abgelegen sind, eine Bogenerstreckung von 90° aufweisen und mit ihren Enden voneinander einen Abstand von 90° aufweisen (siehe Fig. 9).

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Bei der Verwendung gleitet der Kolben in einem Zylinder oder einer Laufbüchse eines Verbrennungsmotors, der ein Dieselmotor sein kann, ein Ottomotor oder ein Zweitaktmotor. Der seitliche Schub wird von den Lagerflächen 14, 15 aufgenommen. Eine Abschrägung 18 ist an der Unterkante der Lagerfläche 15 vorgesehen und stellt einen ' Schmiermittelstrom zur Oberfläche und über diese hinweg sicher, und diese Abschrägung kann derart bemessen und angeordnet sein, wie dies oben unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben ist.

Der Kolben der Fig. 7, 8 und 9 hat die Vorteile der Leichtigkeit, der niedrigen Reibung und geringen Kosten, welche auch die Kolben der Fig. 1 bis 5 kennzeichnen. Die Streben 17 halten die Lagerflächen 14, 15 starr in ihrer Lage, ohne das Erfordernis weiterer Verbindungen zwischen den Seitenkanten und dem Kolbenbolzenvorsprung .

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß mehr als zwei Lagerflächen an beiden Seiten der Ebene vorgesehen sein können, welche die Achsen des Kolbens und des Kolbenbolzens einschließt. Beispielsweise, etwa in Fig. 3 und 5, können drei solche Flächen vorgesehen sein, oder vier oder mehr Flächen.

4$,

Leerseite

Claims

Ansprüche

[I-/ Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenbolzenauge, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben auf beiden Seiten einer Ebene, die die Achse des Kolbenbolzenauges und des Kolbens aufnimmt, mindestens zwei Lagerflächen aufweist, wobei eine Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen zum kopfseitigen Ende des Kolbens hin gelegen ist und durch einen sich in Achs- und Umfangsrichtung erstreckenden Spalt von der übrigen Oberfläche oder den übrigen Oberflächen in axialer Richtung einen Abstand aufweist, und wobei die Lagerflächen um eine Ebene angeordnet sind, welche die Kolbenachse umfaßt und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht, und sich nur teilweise rund um den Kolben erstrecken.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lagerfläche allgemein die Form eines Zylindersegments aufweist.

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3. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige kopfseitige Lagerfläche vorgesehen ist und eine einzige, verbleibende Lagerfläche vorgesehen ist, welche einen Abstand von einem Spalt gegenüber der kopfseitigen Lagerfläche aufweist.
4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige kopfseitige Lagerfläche vorgesehen ist und zwei verbleibende Lagerflächen vorgesehen sind, und daß die beiden verbleibenden Flächen in Umfangsrichtung einen Abstand aufweisen, aber axial ausgerichtet sind.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verbleibenden Flächen symmetrisch an jeder Seite einer Ebene angeordnet sind, welche die Kolbenachse umfaßt und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht.
6. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verbleibenden Lagerflächen auf der einen Seite der Ebene, welche die Achsen von Kolben und Kolbenbolzenauge enthält, und die beiden verbleibenden Oberflächen auf der anderen Seite dieser Ebene durch ein Metallband verbunden sind, welches sich rund um den Kolben erstreckt.
7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede verbleibende Oberfläche zwei

^uw allgemein parallele, sich in Umfangsrichtung erstreckende Kanten aufweist, und daß mindestens eine der Kanten mit einer Abschrägung versehen ist, um Schmiermittel über die Oberfläche während der Hin- und Herbewegung des Kolbens zu leiten.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Abschrägung eben oder gekrümmt ist, und zwar in Ebenen, welche die Kolbenachse enthalten.
9. Kolben nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede verbleibende Fläche derart ballig ausgebildet ist, daß die Fläche in Ebenen gekrümmt ist, welche die Kolbenachse enthält, um während der Hin- und Herbewegung Schmiermittel über die Fläche zu leiten.
10. Kolben für einen Verbrennungsmotor, mit einem Kolbenkopf und einem Ringband, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben an beiden Seiten einer Ebene, die die Achse des Kolbenbolzenauges und des Kolbens enthält, zwei Lagerflächen oder Gruppen von Lagerflächen aufweist, welche sich nur teilweise um den Kolben auf jeder Seite einer Ebene erstrecken, welche die Kolbenachse enthält und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht, und daß eine Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen vom Ringband getragen ist und die andere Lagerfläche oder Gruppe von Lagerflächen gegenüber dem Ringband einen Abstand aufweist und an einer oder mehreren Streben getragen ist.
11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Lagerfläche vorgesehen ist, die mit dem Ringband verbunden ist und von diesem aus nach unten steht, und daß eine einzige Lagerfläche vorgesehen ist, die an einer Strebe oder an Streben getragen ist.
12. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringband-Lagerfläche und die über eine Strebe verbundene Lagerfläche durch einen Wandabschnitt zur Bildung eines einzigen, teilzylindrischen Gliedes miteinander verbunden sind, welches mit dem einen Ende mit dem Ringband verbunden ist und mit dem anderen

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Ende von einer oder mehreren Streben getragen ist, und daß das Glied mit Umfangsabstand angeordnete, sich allgemein axial erstreckende Kanten aufweist, welche jeweils öffnungen begrenzen, die zu einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Hohlraum zwischen dem Glied und dem übrigen Teil des Kolbens führen.
13. Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kolbenbolzenvor-Sprünge die Kolbenbolzenbohrung begrenzen, und daß die Strebe oder jede Strebe am einen Ende mit dem oder den Kolbenbolzenvorsprüngen verbunden ist.
14. Kolben nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, !5 daß zwei Streben vorgesehen sind.
15. Kolben nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strebe einen T- oder +-förmigen Querschnitt aufweist und einteilig mit dem übrigen Kolben gegossen ist.