DE3235220A1 - Piston for a reciprocating internal combustion engine - Google Patents
Piston for a reciprocating internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine Piston for a reciprocating internal combustion engine
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a piston for a reciprocating internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Derartige, aus mehreren Teilen aufgebaute Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen wurden bisher insbesondere dazu verwendet, zum Zwecke einer Vergleichmäßigung des Verschleißes eine Drehung des Kolbenendes um seine Längsachse zu erzeugen (z.B. DE-PS 1 301 657 und DE-AS 22 01 2mg). Bei anderen bekannten Ausführungen dieser Ba1lart sollte die Kolbenkühlung verbessert werden (DE-PS 871 222).Such pistons made up of several parts for reciprocating internal combustion engines have so far been used in particular to make the Wear to produce a rotation of the piston end about its longitudinal axis (e.g. DE-PS 1 301 657 and DE-AS 22 01 2mg). In other known versions of this In general, the piston cooling should be improved (DE-PS 871 222).
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht dagegen darin, einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, bei dem die Berstellung und Montagekosten durch einfachere Fertigung verringert und die insbesondere durch die Schwenkbewegung des Pleuels während des Betriebs der Brennkraftmaschine verursachten Kolben und Kolbenreibkräfte reduziert werden können.The object on which the invention is based, on the other hand, is a piston for a reciprocating internal combustion engine in the preamble of the claim to create mentioned type, in which the provision and assembly costs by simpler Manufacturing is reduced and in particular due to the pivoting movement of the connecting rod Pistons and piston frictional forces caused during operation of the internal combustion engine can be reduced.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die Pleuelanlenkstelle möglichst weit oben, das heißt etwa in Höhe der Kolbenringe angeordnet ist, wird es nun möglich, bei gegebenem Kolbenhub längere Pleuel zu verwenden, die zunächst eine geringgere Reibung durch Verminderung der Kolbennormalkräfte verursachen. Auch ergeben sich dadurch Verbesserungen der Geräuschabstrahlung einer derartigen Brennkraftmaschine. Außerdem wird es jetzt möglich, den Kolbenschwerpunkt mit dem Pleuelanlenkpunkt zusammenzulegen, wodurch die durch die Massenkräfte des Kolbens bewirkten Kippmomente weitgehend beseitigt und die durch die Gaskräfte bewirkten Kippmomente des Kolbens verringert werden. Auch hierdurch werden Reibungs- und Geräuschminderungen erzielt. Darüberhinaus läßt sich das Kolbengewicht, beispielsweise auch durch Verwendung von Kunststoff, insbesbnere bei dem inneren Kolbenteil, reduzieren, was ebenfalls zu Reibungs- und Geräuschverringerungen führt.This problem is solved according to the characterizing part of the patent claim 1. Due to the design according to the invention, in which the connecting rod articulation point as possible high up, that is, roughly at the height of the Piston rings is arranged, it is now possible to use longer connecting rods for a given piston stroke, initially cause less friction by reducing the piston normal forces. Even This results in improvements in the noise emission of such an internal combustion engine. In addition, it is now possible to adjust the center of gravity of the piston with the connecting rod articulation point collapse, whereby the overturning moments caused by the inertia forces of the piston largely eliminated and the overturning moments of the piston caused by the gas forces be reduced. This also reduces friction and noise. In addition, the piston weight, for example by using of plastic, especially in the case of the inner piston part, which is also reduced leads to friction and noise reductions.
Schließlich sei auch darauf hingewiesen9 daß durch die Trennung der Kolbenfunktionen, nämlich der Kraftübertragungs- und der Dichtiunktion, sich weitere Vorteile erzielen lassen. Diese bestehen zum einen darin, daß durch die Entlastung des Kolbenhemds von der Kraftübertragung und durch die Vorschrift, eine Berührung zwischen dem Innenteil und dem äußeren Kolbenteil nur am Kolbenboden vorzusehen, eine günstige Massenverteilung an den Kolbenteilen erreicht werden kann, die es zum Beispiel ermöglicht, die früher übliche und hauptsächlich durch die ungleichmäßige Massenverteilung bedingte Ovalität der Kolben zu verlassen und diesen, soweit es die Zylinderverzüge erlauben, kreisrund herzustellen, was erhebliche Fertigungserleichterungen bedeutet. Aufgrund der Trennung der Kolbenfunktionen wird es darüberhinaus möglich, den einzelnen Aufgaben der Bauteile entsprechende, gegebenenfalls auch neue Werkstoffe einzusetzen. Insbesondere die Innenteile des Kolbens können dann in moderner Kunststoff-Technologie ausgeführt werden.Finally, it should also be pointed out9 that the separation of the Piston functions, namely the power transmission and the sealing function, are further Let benefits be achieved. These consist, on the one hand, of the discharge of the piston skirt from the power transmission and by the regulation, one touch to be provided between the inner part and the outer piston part only on the piston crown, a favorable mass distribution on the piston parts can be achieved, which it for example enables the previously common and mainly due to the uneven Mass distribution to leave the ovality of the piston and this, as far as it is the cylinder distortions allow to produce circular, which makes manufacturing considerably easier means. Due to the separation of the piston functions, it is also possible Materials appropriate to the individual tasks of the components, including new materials if necessary to use. In particular, the inner parts of the piston can then be made using modern plastic technology are executed.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.Appropriate refinements of the invention result from the subclaims.
Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
in teils schematischer Darstellungsweise, die im folgenden näher
erläutert
werden. So zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemaßen, aus einem
äußeren und einem inneren Kolbentei] bestehenden Kolben für eine HubkoAben-Brcnnkraftmaschine,
Figur 2 einen Schnitt gemäß den Schnittlinien II-II nach Figur 1,
In der Zeichnung sind jeweils für gleiche oder vergleichbare Bauteile die gleichen, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Strichen versehenen Bezugszeichen verwendet. So ist in den Figuren 1 und 2 ein Kolben für eine herkömmliche Rubkolben-Brennkraftmaschine gezeigt, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist und der aus einem äußeren, einen Kolbenboden 4 und ein Kolbenhemd 5 umfassenden ersten Kolbenteil 2 sowie einem inneren Kolbenteil 3 besteht, das im wesentlichen die Anlenkstelle für das hier nicht weiter gezeigte Pleuel bildet, indem es zwei mit zylindrischen, senkrecht zur Kolbenachse verlaufenden Bohrungen 9 versehene Lagerstühle 8 aufweist. Diese Lagerbohrungen 9 dienen zur Aufnahme eines hier nicht gezeigten, herkömmlichen Kolbenbolzens, der in üblicher Weise durch eine an dem kolbenseitigen Auge des Pleuels angeordnete Bohrung greift. In axialer Richtung kann dieser Kolbenbolzen z.B. durch in Nuten 10 eingreifende Sicherungsringe oder durch Klemmen fixiert werden.In the drawing are each for the same or comparable components the same reference symbols, optionally provided with one or more dashes used. For example, in FIGS. 1 and 2, a piston for a conventional rub-up piston internal combustion engine is shown shown, which is designated as a whole with 1 and which consists of an outer, a piston head 4 and a piston skirt 5 comprising a first piston part 2 and an inner piston part 3 consists, which is essentially the articulation point for the not shown here Connecting rod is formed by having two cylindrical ones running perpendicular to the piston axis Has bores 9 provided bearing blocks 8. These bearing bores 9 are used for Receipt of a conventional piston pin, not shown here, which is in the usual Way engages through a hole arranged on the piston-side eye of the connecting rod. In the axial direction this piston pin can e.g. Circlips or can be fixed by clamps.
Das innere Kolbenteil 3 wird an dem Kolbenboden 4, beispielsweise unter Verwendung von durch Befestigungsbohrungen 25 oder in Gewindesacklöcher greifenden Schrauben befestigt. Die Befestigung dieses inneren Kolbenteils am Kolbenboden könnte jedoch auch durch Kleben, Schweißen, Reibschweißen oder durch andere bekannte Verbindungsverfahren, z ß auch mit Hilfe von Sicherungs- oder Sprengringen am oberen Teil des Kolbenhemds erfolgen.The inner piston part 3 is on the piston head 4, for example using through fastening bores 25 or in threaded blind holes Screws fastened. The attachment of this inner piston part to the piston crown could but also by gluing, welding, friction welding or other known connection methods, z ß also with the help of retaining rings or snap rings on the upper part of the piston skirt take place.
Wie aus der Figur 1 weiter ersichtlich ist, hat der innere, als Trägerteil für die Kolben-Pleuelverbindung dienende Kolbenteil 3 keine Verbindung zu dem seitlichen Kolbenhemd 5, so daß dieses eine vollkommen rotationssymmetrische Form annehmen kann, was Voraussetzung dafür ist, den Außenmantel des Kolbens kreisrung auszuführen. Eine weitere Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich ein auch im Betrieb kreisrund bleibende Zylinderbohrung.As can also be seen from FIG. 1, the inner part has the support part for the piston-connecting rod connection serving piston part 3 no connection to the side Piston skirt 5, so this one is perfect rotationally symmetrical Can take shape, which is a prerequisite for circularity of the outer jacket of the piston to execute. Another prerequisite for this is of course a too Cylinder bore that remains circular during operation.
Die Lagerung des Kolbenbolzens nur in dem inneren Kolbenteil 3 ermöglicht es weiterhin, die Anlenkstelle des Pleuels sehr nahe dem Kolbenboden 4 etwa in Höhe der mit 6 und 7 bezeichneten Kolbenringe vorzusehen. Dadurch wird es zum einen möglich, die Kolbenbolzenachse 11, die den Pleuelanlenkpunkt bildet, in den Schwerpunkt des Gesamtkolbens 1 zu legen, so daß Kippmomente, die früher durch die bei der Pleuelschwenkbewegung auftretenden Massenkräfte des Kolbens verursacht wurden, weitgehend vermieden werden. Außerdem wird dadurch die Verwendung längerer Pleuel möglich, wodurch der Schwenkwinkel des Pleuels reduziert und damit letztlich auch die aus den Gaskräften herrührenden, die Gleitbahn belastenden Querkräfte verringert werden.The bearing of the piston pin is only possible in the inner piston part 3 it continues, the articulation point of the connecting rod very close to the piston crown 4 approximately at the same height the piston rings designated 6 and 7 to be provided. On the one hand, this makes it possible the piston pin axis 11, which forms the connecting rod pivot point, in the focus of the Complete piston 1 to be placed so that tilting moments that were earlier caused by the pivoting movement of the connecting rod occurring inertia forces of the piston are largely avoided. It also makes it possible to use longer connecting rods, which reduces the swivel angle of the connecting rod and thus ultimately also the gas forces resulting from the lateral forces that burden the slideway are reduced.
Eine derartig hohe Anordnung des Pleuelanlenkpunktes war bei herkömmlichen, einstückigen Kolben schon deshalb nicht möglich, weil die zur Lagerungies Kolbenbolzens vorgesehenen Kolbenaugen einen Mindestabstand zu den Kolbenringen halten mußten.Such a high arrangement of the connecting rod pivot point was in conventional, one-piece piston is not possible because the piston pin is used to support the piston pin provided piston eyes had to keep a minimum distance to the piston rings.
Bei der Ausführung nach der Figur 3 reduziert sich das innere Kolbenteil 3' zu zwei einfachen Lagerdeckeln 12, die mit den an der Innenseite des Kolbenbodens 4' vorgesehenen Lagerstühlen 13 zur Halterung des hier ebenfalls nicht gezeigten Kolbenbolzens verbindbar sind.In the embodiment according to FIG. 3, the inner piston part is reduced 3 'to two simple bearing caps 12, which are attached to the inside of the piston head 4 'provided bearing chairs 13 for holding the also not shown here Piston pin are connectable.
Mit 14 sind Durchgangsbohrungen im Kolbenboden 4' angedeutet, während 15 Ausnehmungen an der Oberseite des KolbenbodenD uarstellen, in denen die Köpfe der zur Befestigung der Lagerueckel etwa vorzusehenden Schrauben eingelassen sind.With 14 through bores in the piston head 4 'are indicated, while 15 recesses on the top of the piston crown, in which the heads the screws to be provided for fastening the bearing caps are embedded.
Die Figur 4 zeigt eine Ausführung, bei der das innere Kolbenteil 3" ebenfalls aus zwei Teilen besteht, die jeweils als Lagerstühle 16 und 18 zur Halterung eines Kolbenbolzens 17 ausgebildet sein können.Figure 4 shows an embodiment in which the inner piston part 3 " also consists of two parts, each as bearing chairs 16 and 18 for mounting a piston pin 17 can be formed.
Bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführung ergibt sich noch eine Besonderheit insofern, als dort der Kolbenbolzen 17 einstückig mit dem einen Lagerteil 16 verbunden ist und lediglich mit einem stumpfartigen Fortsatz 20 in einer Ausnehmung 19 des zweiten Lagerteils 18 gehalten ist.In the embodiment shown in FIG. 4, there is another one A special feature insofar as there the piston pin 17 is integral with the one bearing part 16 is connected and only with a stump-like extension 20 in a recess 19 of the second bearing part 18 is held.
Die Montage dieses Kolbens wie auch der anderen Kolbenausführungen erfolgt dabei in der Weise, daß zunächst das innere Kolbenteil zusammen mit dem Pleuel vormontiert wird und daß dieses dann durch entsprechende Verbindung an dem Boden 4 des ersten Kolbenteils 2 befestigt wird.The assembly of this piston as well as the other piston designs takes place in such a way that initially the inner piston part together with the Connecting rod is pre-assembled and that this is then connected to the appropriate connection Bottom 4 of the first piston part 2 is attached.
Bei der Ausführung nach der Figur 5 ist das Pleuel 21' als Hammerkopfpleuel ausgebildet, indem an dem kolbenseitigen Ende des Pleuels beidseitig angeformte Bolzenenden 22 angebracht sind, die in zylindrischen Lagerausnehmungen 24 des lagerstuhlähnlichen Innenteils 3''' des Kolbens gehalten sind. Auch hier kann das innere Kolbenteil 3"' aus einem oder aus zwei Teilen 23 bestehen, die jeweils einem Bolzenende 22 zugeordnet sind.In the embodiment according to FIG. 5, the connecting rod 21 'is a hammer head connecting rod formed by integrally formed on both sides of the piston-side end of the connecting rod Bolt ends 22 are mounted in the cylindrical bearing recesses 24 of the bearing chair-like Inner part 3 '' 'of the piston are held. Here, too, the inner piston part 3 ″ 'consist of one or two parts 23, each with a pin end 22 assigned.
Eine weitere, hier nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, ganz auf ein besonderes zweites Kolbenteil als Lagerträger für den Kolbenbolzen zu verzichten und dafür die über das Pleuelauge hinausragenden Bereiche des Kolbenbolzens unmittelbar zur Befestigung an dem ersten Kolbenteil, nämlich am Kolbenboden heranzuziehen.Another possibility, not shown here, is entirely to dispense with a special second piston part as a bearing bracket for the piston pin and directly to the areas of the piston pin that protrude beyond the connecting rod eye to be used for fastening to the first piston part, namely to the piston crown.
Dies läßt sich auf einfache Weise bei aus Vollmaterial bestehenden Kolbenbolzen durch Abflachung ihrer Enden erreichen, die dann direkt an entsprechenden Aufnahmen des Kolbenbodens, beispielsweise durch Verschraubung, befestigt werden.This can be done in a simple manner with existing solid material Achieve piston pins by flattening their ends, which are then attached directly to corresponding ones Recordings of the piston head, for example by screwing, are attached.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Kolbenausführung zeigt die Figur 6, bei der das innere Kolbenteil 31Y neben der Bohrung 9 für den hier wieder nicht dargestellten Kolbenbolzen auch das untere Kolbenhemd 5b umfaßt, während das erste, äußere Kolbenteil 2" aus dem die Kolbenringe 6 und 7 umfassenden Kolbenbereich 5a und dem Kolbenboden 4 besteht. Die Verbindung der beiden Kolbenteile 2" und 5tv könnte hierbei entweder in dem mit 28 angedeuteten Ringbereich zwischen dem Kolbenringpaket 5a und dem Kolbenhemd 5b durch Elektronenstrahl-Schweißen, Kleben oder dgl. oder aber auch durch Verschraubung, Verstiftung oder Einschrumpfen in dem zylindrischen Berührbereich zwischen der Außenwand 26 des inneren Kolbenteils 3'V und der Innenwand 27 des äußeren Kolbenteils 2?? erfolgen. Als Beispiel ist dazu eine Verstiftung mittels Querstiften 25 angedeutet.A further variant of the piston design according to the invention is shown Figure 6, in which the inner piston part 31Y next to the bore 9 for the here Again, piston pin, not shown, also includes the lower piston skirt 5b, while the first, outer piston part 2 ″ from the piston area comprising the piston rings 6 and 7 5a and the piston head 4 consists. The connection between the two Piston parts 2 "and 5tv could either be in the ring area indicated by 28 between the piston ring pack 5a and the piston skirt 5b by electron beam welding, gluing Or the like. Or by screwing, pinning or shrinking into the cylindrical contact area between the outer wall 26 of the inner piston part 3'V and the inner wall 27 of the outer piston part 2 ?? take place. As an example is for this purpose a pinning by means of transverse pins 25 is indicated.
Schließlich ist in der Figur 7 noch eine Ausführung gezeigt, bei der die beiden Kolbenteile 2ist1 und 3-r streng konzentrisch zueinander angeordnet und im Bereich des Kolbenbodens 411 durch eine kreisförmig umlaufende Teilfuge getrennt sind. Das äußere Kolbenteil 2"' weist danach den Kolbenmantel mit den Kolbenringen 6, 7 und dem Kolbenhemd 5 auf, während das innere Kolbenteil 3 neben den die Lagerbohrungen 9 für den Kolbenbolzen aufneimenden Lagerstühlen 8 auch noch den Kolbenboden 4" umfaßt. Die VerbiiL-dung zwischen den beiden Kolbenteilen erfolgt dabei in dem ringzylindrischen Berührungsbereich 30 z.B. durch eine Verschweißung mittels E ektronenstrahlschweißen. Auch eine Verklebung, Verschraubung oder ein Schrumpfsitz wäre möglich. In diesem Ausführungsbeispiel wäre eine klare Trennung zwischen den einzelnen Punktionen des Kolbens erreicht, indem das innere Kolbenteil 3 die Kraftübertragung vom Kolbenboden auf das Pleuel übernimmt, während die Führungs-und Dichtungsaufgaben von dem äußeren Kolbenteil 2"' wahrgenommen werden.Finally, FIG. 7 shows another embodiment in which the two piston parts 2ist1 and 3-r are arranged strictly concentrically to one another and separated in the area of the piston head 411 by a circular parting line are. The outer piston part 2 "'then has the piston skirt with the piston rings 6, 7 and the piston skirt 5, while the inner piston part 3 next to the bearing bores 9 for the bearing blocks that take up the piston pin 8 also the piston crown 4 " includes. The connection between the two piston parts takes place in the ring-cylindrical one Contact area 30 e.g. by welding by means of electron beam welding. Gluing, screwing or a shrink fit would also be possible. In this Embodiment would be a clear separation between the individual punctures of the Piston achieved by the inner piston part 3, the power transmission from the piston crown on the connecting rod takes over, while the guiding and sealing tasks of the outer one Piston part 2 '' 'can be perceived.
Wie bereits früher angedeutet wurde, können sich besondere Vorteile bei der erfindungsgemäßen Kolbenausbildung dadurch ergeben, daß die beiden Kolbenteile aus unterschiedlichen, den jeweiligen Anforderungen besonders angepaßten Werkstoffen gefertigt werden.As indicated earlier, there may be particular advantages in the piston design according to the invention result in that the two piston parts made of different materials specially adapted to the respective requirements are manufactured.
So können insbenondere die Kolbeninnenteile aus einem Kunststoff oder Verbnndwerkstoff, gegebenenfalls auch aus einem Keramikmaterial, hergestellt werden, wobei aufgrund der neuen Formgebung diesen Werkstoffen entsprechende Fertigungstechnologien angewendet werden können.In particular, the inner piston parts can be made of a plastic or Connecting material, if necessary also from a ceramic material, are produced, due to the new shape of these materials, corresponding manufacturing technologies can be applied.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch die relativ vieien AusführungsSeispiele die Erfindung nicht etwa sind schränken sollen Vielmehr wird die Zahl der gemaß der Erfin dung ausführbaren Kolbenkonstruktionen schon wesentlich grö-Ber, wenn beispielsweise die einzelnen Gestaltungsmerkmale der Beispiele miteinander kombiniert werden.It should be expressly pointed out that the relatively many Exemplary embodiments are not intended to limit the invention, rather it will the number of piston constructions that can be carried out according to the invention is already substantial Larger, if, for example, the individual design features of the examples with one another be combined.
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Claims (10)
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