DE3249290T1

DE3249290T1 - Zusammengesetzter kolben

Info

Publication number: DE3249290T1
Application number: DE823249290T
Authority: DE
Inventors: Floyd D. 13081 King Ferry N.Y. Mills
Original assignee: Alco Power Inc
Current assignee: Alco Power Inc
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-12-17
Publication date: 1984-01-26
Also published as: WO1983002300A1; JPS59500003A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen vorgespannten zusammengesetzten Kolben. Insbesondere bildet die Erfindung eine Verbesserung gegenüber einem aus der US-PS 3 465 651 bekannten Kolben.

Dieselmotoren sind seit vielen Jahren die Standard-Arbeitsmotoren in der Industrie. Dieselmotoren bilden den Antriebsteil für dieselelektrische Lokomotiven, Schiffen unterschiedlicher Klassen, wie auch Schleppern, und auch für verschiedene andere Arbeitsfahrzeuge, einschließlich Traktoren, Panzern und dgl. Zusätzlich werden Dieselmotoren als stationäre Antriebe für große Kompressoren und elektrische Generatoren eingesetzt. Solche stationären Motoren können 18 oder mehr Zylinder mit Motorblockbohrungen haben, deren Durchmesser 30 cm oder mehr beträgt.

Seit der Einführung des Dieselmotors wurde mit unterschiedlichem Erfolg versucht, die Leistung und den Wirkungsgrad von Dieselmotoren zu steigern. In Verbindung damit war die Entwicklung eines zusammengesetzten Kolbens ein bemerkenswerter Fortschritt. Im besonderen wurden

²^ mehrteilige Kolben konstruiert, die aus unterschiedlichen Materialien bestanden, um ihren Zweck besser zu erfüllen. Beispielsweise wurde ein aus einer Aluminiumlegierung bestehender Kol^enkörper mit einer Kappe aus einer Eisenlegierung vereinigt. Aluminium wurde gewählt, da es leicht ist und außerordentliche Laufeigenschaften zeigt. Aluminium führte dazu, daß der Kolbenunterteil in der Zylinderlaufbüchse leicht gleiten konnte und erleichterte auch dem Kolbenzapfen, der sich durch den Kolbenkörper erstreckte, seine hin- und hergehende Bewegung. Jedoch

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haben Aluminiumlegierungen einen verhältnismäßig hohen

Ausdehnungskoeffizienten und eine geringe Fertigkeit bei hohen Temperaturen. Ein vollständig aus einer Aluminiumlegierung bestehender Kolben war deshalb gegen die hohen Temperaturen zu isolieren, die normalerweise in den Zylindern von Verbrennungskraftmotoren auftreten.

Eine aus Stahl oder Gußeisen bestehende. Kappe aus einer Eisenlegierung wurde gewählt, da solche Kappen auch bei den hohen Arbeitstemperaturen ihre hohe Festigkeit beibehalten. Zudem können Kappen aus Eisenlegierungen die Kolbenringe ohne nennenswerten Verschleiß oder Ausschlagen tragen.

Eine grundsätzliche Schwierigkeit bei zusammengesetzten Kolben ergab sich aus den thermischen Spannungen innerhalb des Kolbens. Diesem Problem wurde in einem bestimmten Ausmaß durch die Eingliederung von Kammern oder Nischen in den Kolbenkörper und in die Berührungsfläche des Kolbenkörpers mit der Kappe gelöst. Diese Nischen wurden dann mit Öl versorgt, das aus dem Motorblock stammt und die hohen Arbeitstemperaturen der Kolbenkappe abführte. Trotz dieser Kühlung blieben erhebliche thermische Spannungen. ;

Die US-PS 3 465 651, deren Inhalt hier mit eingeschlossen sein soll, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Ausbildung solcher zusammengesetzter Kolben dar. In dieser US-PS wird ein zusammengesetzter Kolben erläutert, bei dem in der Krone des Kolbens ein zentraler

Stehbolzen einstückig ausgebildet ist. Die Krone besteht aus einer hochzugfesten Eisenlegierung. Der Stehbolzen ist mit einem Gewinde versehen, um eine Mutter aufzunehmen, mit der die Krone in progressiven Eingriff mit dem Kolbenkörper gebracht_;wird. Auf diese Weise wird die Krone vorgespannt, damit sich beim Arbeiten keine thermischen

-Μι Spannungen mehr ergeben.

Gegenüber dieser bekannten Lösung ist ein zusammengesetzter Kolben wünschenswert, der gleichmäßig vorgespannt ist und sich im Betrieb ausgeglichen verhält, wodurch ein ruhiger Lauf des Verbrennungskraftmotors erreicht werden könnte. Weiterhin wäre ein zusammengesetzter Kolben dieser Art wünschenswert, bei dem die Materialkosten niedrig sind. Weiterhin soll ein zusam¹-mengesetzter Kolben geschaffen werden, bei dem die Herstellung der Kolbenkrone einfach ist, obwohlMiese eine konturierte Oberfläche besitzt, mit der die Brennraumgestalt optimiert werden kann. Zusätzlich soll der zu schaffende'.zusammengesetzt!. Kolben verbesserte Kühleigenschäften haben. Die Krone sollte dabei derart ausgebildet sein, daß sie taschenförraige Vertiefungen für die Ventile für Turbo-Dieselmotoren enthält, obwohl"ihre Wandstärke gleichmäßig bleiben soll, um thermische Spannungen gering zu halten.

Ausgehend von der zuvor erwähnten US-PS 3 465 651 wurde bereits mehrfach versucht, eine Verbesserung zu finden. Die gefundenen Lösungen benutzen jedoch eine Vielzahl von Bolzen oder Befestigungselementen, die jedoch lokale. Spannungsspitzen hervorrufen. Das auf dü'es'e Weise erzielte Vorspannen iät nicht gleichmäßig über die gesamce 'vrone. Es sind ferner Lösungen bekannt geworden, bei denen die vielen, vorgesehenen Befestigungselemente durch die Kolbenkrone ragen, so daß in diesen Bereichen keine zufriedenstellende Abdichtung des zusammengesetzten Kolbens mehr gegeben ist. Bei anderen Lösungen mit mehreren Bef e:i t Lgusigselementen ist die Herstellung und der Zusammenbau aaßerordentlich schwierig.

Die Schwierigkeiten und/oder die Nachteile, die zuvor geschildert wurden, sind nicht vollständig, sondern stellen nur eine Auswahl aus vielen, den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannten Schwierigkeiten dar, die den Einsatz der bekannten zusammengesetzten Kolben in der Praxis beschränken. Es gibt nämlich darüberhinaus noon eine große Zahl anderer Probleme bei zusammengesetzten Kolben, jedoch sollten die zuvor erläuterten Schwierigkeiten nur demonstrieren, daß bei den bekannten vorgespannten und zusammengesetzten Kolben, die es bisher gibt, Verbesserungen notwendig sind.

Es ist deshalb ein generelles Ziel der !Erfindung, einen neuen, vorgespannten und zusammengesetzten Kolben ° zu schaffen, bei dem die vorerwähnten Probleme entweder gar nicht mehr oder nur mehr minimal gegeben sind.

Insbesondere ist die Schaffung eines vorgespannten

zusammengesetzten Kolbens das Ziel der Erfindung, der es

erleichtert, in einem mehrzylindrischen Verbrennungskraftmotor einen Ausgleich zu erleichtern bzw. eine hohe Gleichförmigkeit zu erreichen. ■

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines vorgespannten zusammengesetzten Kolbens,der verbesserte Kühlcharakteristika aufweist.

Ferner wird erfindungsgemäß ein vorgespannter zusammengesetzter Kolben angestrebt, der über die Kolbenkrone 30

ein im wesentlichen konzentrisches Vorspannungsmuster besitzt.

Angestrebt wird erfindungsgemäß ferner ein vorgespannter zusammengesetzter Kolben, bei dem die Materialkosten verringert und die Herstellung sowie der Zusammenbau vereinfacht sind.

- b ■ -

Ein weiteres Ziel der Erfindung iüt die Schaffung eines vorgespannten zusammengesetzten Kolbens, der ohne weiteres mit einer irregulären Konfiguration der oberen Kolbenkrone ausgebildet werden kann, so daß die raumgestalt optimiert wird, während thermische Spannungen in der Kolbenkrone minimiert werden.

Schließlich ist es noch ein Ziel der Erfindung, einen vorgespannten zusammengesetzten Kolben zu schaffen, bei dem das Vorspannen ohne eine Durchdringung der Kolbenkrone realisiert ist.

Eine bevorzugte Äusführungsform der Erfindung,

mit der zumindest einige der vorerwähnten Ziele erreicht

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werden, besteht aus einem zusammengesetzten Kolben, der im wesentlichen einen zylindrischen Kolbenkörper aus einem verhältnismäßig leichtgewichtigen Werkstoff und eine schützend^ Krone aufweist, die aus einem gegossenen metallischen Materialrbesteht.
;

Der Kolbenkörper besitzt eine zentrale langgestreckte Öffnung, einen ersten Sitz, um den äußeren Umfang des Kolbenkörpers, einen zweiten Sitz, der im wesentlichen

axial ausgerichtet und konzentrisch am Kolbenkörper radial 25

innerhalb des ersten Sitzes liegt, und einen dritten Sitz, der im allgemeinen axial ausgerichtet und konzentrisch am Kolbenkörper radial innerhalb des zweiten Sitzes und radial außerhalb der zentralen langgestreckten Öffnung ^lie^· ■■■

Die Kolbenkrone besitzt eine äußere periphere Schürze mit einem ersten Randabschnitt, der so ausgebildet ist, daß er mit dem ersten Sitz des Kolbenkörpers zu gg sammenarbeitet, sowie einen zweiten Randabschnitt, der

sich im wesentlichen axial erstreckt und radial innerhalb des ersten Randabschnittes a-n einer tief erliegenden Fläche

der Krone angeordnet und so'ausgebild it ist, daß er mit
dem zweiten Sitz des Kolbenkörpers· zusammenarbeitet, sowie einen dritten Randabschnitt, der konzentrisch radial innerhalb an der unteren Fläche der Krone angeordnet und so ausgebildet ist, daß;er mit dem dritten Sitz des Kolbenkörpers zusammenarbeitet.

Ein mit einem Gewinde ausgestattetes Befestigungselement erstreckt sich durqh die zentrale Öffnung :des

jQ Körpers und besitzt einen Kopfteil, der gegen einen peripheren Sitz anlegbar ist, welcher sich um die zentrale
öffnung erstreckt, sowie einen Gewindeabschnitt, der sich durch die zentrale öffnung erstreckt und in eine passende Gewindebohrung eingreift, die koaxial in der unteren Fläche der Krone ausgebildet ist. Der erste, der zweite und der dritte Randabschnitt der Krone sind axial jsoidimensioniert, daß sie in entspanntem £ustand bei voller i^uflage des
ersten Randabschnitte? auf dem ersten Sitz¹ einen axialen Spalt zwischen dem zweiten Randabschnitt und dem zweiten Sitz und einen größeren'axialen Spalt zwischen dem dritten Randabschnitt undjdem dritten Sitz bilden. Das Befestigungselement läßi sich so anziehen, daß es nacheinander den zweiten Randabsphnitt gegen den zweiten Sitz und den dritten Randabschnitt gegen den dritten Sitz anpreßt, und zwar ausgehend voiSi einer mittigen Position, um die
Krone gleichmäßig geg$n|den Kolbenkörper vorzuspannen
und auf diese Weise einen kompakten zusaminengesetzten
Kolben zu bilden, in cäeih beim Arbeiten ein Spannungsgleichgewicht herrscht,' ohne daß dabei die obere Fläche der

Krone durchdrungen wird.

Die obere Fläche der Krone ist mit einer peripheren Zone ausgestattet, in d^r erhöhte Segmente und vertiefte Segmente vorliegen, diel die Ventilbewegung in einem Verbrennungsmotor gestatten. Die korrespondierehde untere

Fläche der Krone unterhalb der perlpheren Zone folgt im wesentlichen der Kontur der oberen Fläche,so daß die Wandstärke der Krone im wesentlichen über dem Bereich der periphere^ Zone gleichmäßig ist, ürn in dieser peripheren Zone und in der Krone thermische!Spannungen zu minimieren.

Weitere: Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen ausder nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeibpieles hervor, das in den Zeichnungen gezeigt ist.

Es zeigen:

Fig.^!1 eine perspektivische Ansicht einer stationären ,c Diesel-Generator-Baueinheit eines Typs,; bei der erfindungsgemäße vorgespannte zusammengesetzte Kolben vorteilhaft verwendet werden; . j ',

Fig.i2 einen teilweisen Querschnitt des Dieselmotors 2Q der Baueinheit von Fig. 1, wobeiein vorgespannter zusammengesetzter Kolben in einer Zylinderbuchse eines 18-Zylinder-V-Dieselmotors angeordnet ist;; ;

Fig. 3 eineDraufsieht auf! eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäjßen"".vorgespannten zusammengesetzten Kolbens, wobei'd'ie obere Fläche der Kolbenkrone zum Ermöglichen der Ventilbewegung in einem aufgeladenen Dieselmotor kpnturiert ist; |

Fig. 4 einen detailliertein Querschnitt des vorgespannten zusammengesetzten Kolibejns von Fig. 3, wobei der Kolbenkö|rper in einer Schniifetebene 4—4 und die Kolbenkrone in einer Schnittebene 4-|4a gezeigt sind ;

Ölkanäle angedeutet sind

Fig. 5 eine Draufsicht auf den Kolberikörper, wobei

, die zum Kühlen der Kolbenkrone

dienen,

Fig. .6 einen Teilschnitt in der Ebene '6.-J-6 in Fig. 5;

Fig. 7 einen Teilschnitt in der Ebene 7-7 in Fig. 5;

Fig. 8 einen Teils<jhnitt in der Ebene 8-8 in Fig. 5;

ίο '■ ;

Fig. 9 einen Teilsöhnitt in der Ebene 9-9 in Fig. 5;

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Fig. 10 eine Expio$ions-SGhnittdarstell!iing eines erfindungsgemäßen zusammengesetzten Kolbens voif· dem Zusam-' . ' i menbau; ;

Fig. 11 einen Querschnitt durch den zusammengesetzten Kolben von Fig. 10, wobei ein erster Randbereich der Kolbenkrone auf einem ersten Sitz am Außenumfang des Kolbenkörpers aufsitzt; ! . ■' ;

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Fig. 12 einen Teil$chnitt in der Ebene 12-12 von Fig. 5; . : ■ ■ : "

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²^ Fig. 13 einen Querschnitt in der Ebene 13-13 von

Fig. 5 durch den Kolb^nkörper; _:

Fig. 14 einen Querschnitt durch den zusammengesetzten Kolben von Fig» 10, w<bb$i ein zweiter Randabschnitt der ^ow Kolbenkrone durch ein I zentrales Befestigungselement in Auflage auf einen zweiten Sitz des Kolbenkörpers gezogen wird, um in der Kolbenkrone eine teilweise Vorspannung mit einem gleichmäßigen;Umfangsmuster zu schaffen; und

Fig. 15 einen Querschnitt durch den zusammengesetzten

Kolben von Fig. 14, wobei mit dem Befestigungselement ein

- JQ " dritter Randabschnitt der Krone in eine Auflage auf einen dritten Sitz des Kolbenkörpera gezogen wird, wobei die Kolbenkrone von einer einzigen zentralen Stelle ohne Durchdringung der Krone symmetrisch vorgespannt ist.

Ehe im Detail auf den erfindungsgemäßen vorgespannten zusammengesetzten Kolben eingegangen werden soll,ist es zweckmäßig, den Hintergrund für den Einsatz solcher zusammengesetzter Kolben zu schildern.

Gemäß Fig. .1 und 2 sind vorgespannte zusammengesetzte Kolben besonders für stationäre Dieselmotoren, die elektrische Generatoren antreiben, zweckmäßig. Fig.1 zeigt einen elektrischen Generator 20, der direkt mit der Abtriebswelle eines 18-zylindrigen Dieselmotors 22 gekuppelt ist. Der Dieselmotor wirri durch einen Kompressor 24 aufgeladen, der Hochdruckluft durch einen zentralen Verteiler 26 in die Brennkammer über Leitungen 28 speist. _; :

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Die Zylinder sind paarweise in V-Anordnung im Motorblock 30 arrangiert und Zylinderbüchsen 32 nehmen zusammengesetzte Kolben (Fig. 2) auif. Jeder zusammengesetzte Kolben 34; ist mit einer Kurbelwelle durch einen Kolbenzapfen 36. und eine Pleuelstange 38 verbunden. Für jeden Zylinder sind vier Ventile 40 vorgesehen, die offen sind, wenn der Kolben den oberen Totpuakt durchfährt. Um die Brennraumfofm optimal zu halten, ist es erforderlich, im oberen Teil des Kolbens ausgeschnittene Zonen vorzusehen, die ein Arischlagen des Kolbens¹ ah den offenen Ventilen verhindern, wenn der Kolben den oberen Totpunkt durchfährt. Es'hat sich weiterhin gezeigt, daß der Gleichlauf des Motors verbessert wird, wenn; die sich bei- jedem Kolben oberhälbdes Kolbenbolzens befindliche Masse so gering gehalten werden kann wie möglich.

Aus den Fig. 3 und' 4 ist im Detail ein erfindungsgemäßer zusammengesetzter und vorgespannter Kolben erkennbar. Der Kolben 34 besitzt eine Kappe oder Krone 50.

Eine obere Fläche 52 der Krone bildet einen Zentralen Ke-

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gel, der für die Brennstoffverteilung und für die Optimierung der Brennraumform Wichtig ist. Ferner ist die obere Fläche der Krone mit mehreren erhöhten Segmenten 54 in einer Umfangszone ausgestattet, die sich übeir die Fläche der Krone erheben. Zwischen den erhöhten Segmenten 54 befinden sich vertiefte.Segmente 56, die nach innen bogenförmig verlaufen und das Eintreten der Ränder der Ventile 40 im oberen Totpunkt des Arbeitstaktes desMMotors zulassen. , " '

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Es ist hervorzuheben, daß die Wandstärke der Krone

über diese Umfangszone im wesentlichen gleichförmig gehalten ist, um thermische Spannungen der Krohe so gering wie möglich zu halten. Diese gleichbleibende! Dicke läßt sich ohne teures Bearbeiten durch Gießen erreichen. Gießbare Eisenmetalle lasseh sich vorteilhaft hier verwenden, im Gegensatz zu den bisher üblichen hochfesten Legierungen, die sehr teuer bearbeitet werden mußten und die für die Schaffung der Ventiltaschen nachträglich: von Hand bearbeitet werden mußten.

Die Kolbenkrone enthält ferner eine konturierte untere Fläche mit einer^!äußeren peripheren Schürze 57 mit einem ersten Randabschnitt 58, einen zweiten Randabschnitt 60 und einen dritten Randabschnitt, 62. Die Randabschnitte sind konzentrisch und lassen sich auf korrespondierende Sitze eines Abschnitts des; Kolbenkörpers aufsetzen, der nächstehend im Detail erläutert wird. Die Umfangsschürze enthält eine Vielzahl paralleler Umfangskänäle 64 für Kolbenringe. Die hochfeste Eisenlegierung der Krone verhindert einen übermäßigen Verschleiß und ein Ausschlagen des>Kolbens durch die Kolbenringe.

Ein zweiter Abschnitt des zusammengesetzten Kolbens 34 wird von einem im allgemeinen: zylindrischen Kolbenkörper 70 gebildet. Dieser Kolbehkörper 70 besteht zweckmäßigerweise aus einem leichtgewiLchtigen Werkstoff, wie einer Aluminiumlegierung, die jgujte Gleiteigenschaften aufweist. Eine zentrale längliche öffnung 72 erstreckt sich in axialer Richtung durch den Kolbenkörper^: und nimmt ein Befestigungselement auf. Eine Querbohrung 74 erstreckt sich im rechten Winkel zu der Achse 72. Eine Pleuelstange 38 ist mit dem Kolbenkörper durch einen Kolbenzapfen 36 verbunden, der in der Bohrung 74 sitzt.

Am Kolbenkörper ist ein erster Sitz 76 am Außenumfang ausgebildet. Ein zweiter Sitz 78 wird von einem-; Auflagering 80 gebildet,, der in einer Vertiefung 82 sitzt. Der zweite Sitz ist im wesentlichen axial ausgerichtet und konzentrisch zum ersten Sitz!76 am Kolbenkörper angeordnet .. : Ferner ist ein dritter! Sitz 84 vorgesehen, der im wesentlichen axial ausgerichtet und konzentrisch radial innerhalb des zweiten Sitzes 78 und radial außerhalb der zentralen Öffnung 72 liegt. [

Durch die öffnung 72 im Kölbenkörper erstreckt sich

ein ein Gewinde aufweisendes Befestigungselement oder ; ^;

ein gedrehter Bolzen 9°· ^Er besitzt einen Kopf 92 und einen ein!Gewinde tragenden Schaft 94. Eine Unterlegscheibe 96 upd eine Vielzahl von Federscheiben 98 werden vom Bolzen 90 getragen und liegep gegen einen Anschlag 100 an, der von einer hinterschnittenen Fläche im Kolbenkörper gebildet wird. Eine Gewindebohruhg 102 ist koaxial in der unteren Fläche der Krone 50 angeordnet. Wenn angezogen, zieht der !Bolzen 90 die Krone tinker Vorspannung gegen den Kölbenkörper:, was nachfolgend erläutert wird.

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Zum Kühlen der Kolbenkrone 50 zirkuliert öl unterhalb der Krone in Kammern oder Nischen. Zu diesem Zweck begrenzt eine innere Fläche der Krone zwischen dem ersten Randabschnitt 58 und dem zweiten Randabschnitt 60 und eine axiale Fläche 104 des Kolbenkörpers eine erste periphere Kühlnische 106 unterhalb der Krone.

In ähnlicher Weise! wird eine zweite Kühllnische 108 konzentrisch innerhalb der ersten Kühlnische 106 zwischen ^1;0 dem zweiten Randabschnitt 60 und dem dritten iRandabschnitt 62 der Kolbenkrone gebildet. Diese zweite Kühlnische enthält einen vertieften Abschnitt 108 im Kolbenkörper, so daß die zweite Kühlnische ein Weiten/Höhen-Verhältnis A:B von annähernd 1 besitzt. Diese Dimensionierung der zweiten Nische verbessert vorteilhafterweise den Verwirbelungseffekt für das kühlende Öl und damit die Kühlung für die Kolbenkrone. \ ■

Schließlich ist eine dritte Kühlnische 110 unterhalb

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der Kolbenkrone zwischen der inneren Oberfläche der öffnung 72 und der äußeren Oberfläche des Schaftes 94 gebildet. ■

Aus den Fig. 4 bis 7 ist ein System erkennbar, mit

dem kühlendes Öl vom Motorkurbelgehäuse in die Kühlnischen des Kolbens lieferbar ist. Das Öl wird in den Kolbenkörper 70 durch eine Bohrung;114 (Fig. 4) in der Pleuelstange 38 gepumpt. Das öl wandert;dann durch eine Bohrung 116 im Kolbenzapfenΐ36Mund axial in beiden Richtungen entlang :

einem zylindrischen Ringraum, den eine koaxiale Hülse 118 begrenzt. Das öl gelangt dann durch Bohrungen 120 und 122 und Kanäle 124 und 126 nach außen. Der Kanal 124 (Fig.6) steht mit einer Bohrung!128 in Verbindung, die in die

erste Kühlnische 106 im Bereich eines Auslasses 130 !

(Fig. 5) mündet. In ähnlicher Weise tritt Öl aus dem

Kanal 126; in die erste Kühlnische über einen Auslaß 132 ein. ; ■ ■

Aus der ersten Nische 1O6^: gelangt das Öl durch eine Vielzahl von Bohrungen 134, die' sich durch die Kolbenkrone erstrecken (Fig. 4), weiter. Obwohl'nur zwei dieser Bohrungen gezeigt sind, können zusätzliche Ölwege vorgesehen sein, um den ölfluß in die' zweite Kühlnische zu verstärken. Eine Vielzahl von Bohrungen 14.0 erstrecken sich durch den Kolbenkörper und stellen eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten und der dritten Kühlnische her. ■ ί

Da bei der raschen Aufs- und Abbewegüng des Kolbens das öl von Nische zu Nische gepumpt wird, ergibt sich in den Nischen ein starker Verwirbelungseffekt. Die kontinuierliche Zirkulation des Öls und der Verwirbelungseffekt in den drei toroidalen Nischen unterhalb der Kolbenkrone führen dazu, daß die Kolbenkrone verhältnismäßig kühl bleibt und daß thermische Spannungen innerhalb der Krone weitgehend unterbleiben.

Das Rückführen des .kühlenden Öles zum Sumpf wird durch eine Vielzahl von Bohrungen 142 bewerkstelligt, die zwischen 4er zweiten Nische 108 und einer Vertiefung im Kolbenkörper oberhalb d,er Pleuelstange angeordnet sind {Fig. 8). In ähnlicher ]fJ.eLse kann das öl aus der dritten Nische durch .Bohrungen 146 abströmen, die in eine Vertiefung 144 (Fig. 9) führen.

;

Die Fig. 10 bis 15"stellen jinfolgedessen die einzelnen Schritte beim Zusammenbau des Kolbens dar. In Fig. 10 ist die Krone 50 oberhalb des Kolbenkörpers 70 dargestellt. Ein gehärteter Auflagering 80wird zunächst

in die Vertiefung 82 eingesetzt, um den Sitz zu bilden.

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Die Krone 50wird dann^gemäß Fig. 11, auf dem\Kolbenkörper 70 befestigt. I

Der Innendurchmesser der Kronenschürze 57 ist^rge- ° ringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Kolbendurchmessers ,: so daß sich hier ein leichter Ifreßsitz ergibt. Um den Zusammenbau zu erleichtern wird-öl mit hohem Druck[600Q psig ) durchieine Bohrung 150 im Kolbenkörper 70 (Fig. 12) zur Schürze 57 gepreßt. Dieses Öl expandiert die Schürze der Krone, Gleichzeitig wird eine Preßkraft (von 2000 lbs)auf die Krone aufgebracht (wie durch Pfeile C in Fig. 11 angedeutet ; wird) ,um die Krone auf den Kolbenkörper aufzupressen, bis der erste Randabschnitt 58 der Krone fest auf dem ersten Sitz 76 des Kolbenkörpers

aufsitzt. Wie in den Fig. 5 und 13 gezeigt ist, dient die Bohrung 152 zum Abführen des Öles während dieses Zusammenbau-Schrittes, i ; '.'■·

Die axialen Abmessungen der Randabschnitte 58, 60

und 62 der Krone , in unverspanntem Zustand, sind so-.gewählt, daß bei vollem Aufsitzen des ersten Randabschnittes 58 auf dem ersten Sitz 76 ein axialer Spalt zwischen dem zweiten Randabschnitt 60 und dem zweiten Sitz 78 und ein

größerer axialer Spalt zwischen dem dritten Randabschnitt 25

62 und dem dritten Sitz 84 vorliegen, wie Fig. 11 zeigt.

Gemäß Fig. 14 greift der Bolzen 90 an der Kolbenkrone 50 an und zieht diese ι in Richtung auf den Kolbenkörper 70

hin. Sobald der Bolzeri 90 angezogen wird, wird der zweite 30

Randabschnitt 60 der Kolbenkrone zur Auflage^auf den zweiten Sitz 78 gezogen. Entsprechend wird die Kolbenkrone zwischen dem ersten und dem zweiten Randabschnitt in einen symmetrischen Vorspannungszustand versetzt. Dabei ist der dritte Randabschnitt 62 !noch vom dritten Sitz 84 (Fig.14) entfernt. . ■ ; i ■ :

In Fig. 15 ist die Kolbenkrpne 50 endgültig auf den Kolbenkörper 70 aufmontiert. Der Bolzen 90 ist voll:angezogen worden und die Federscheiben 98 sind teilweise flach gepreßt. Der dritte Randabschnitjt 62 der Krone ist in Anlage auf den dritten Sitz 84; gepreßt. Dadurch ist die Kolbenkrone 50 voll vorgespannt und zwar im wesentlichen gleichmäßig und konzentrisch vofa einer zentralen Stelle aus, ohne; daß die obere Fläche' der Krone durchdrungen

würde, '■

:

Mit dem auf die vorerwähnte Weise zusammengebauten vorgespannten zusammengesetzten Kolben werden mehrere Vorteile erreicht, von deneft nur die hauptsächlichen erwähnt werden sollen. ·■ ^;

Der erfindungsgemäße vorgespannte Kolben ist in axialer Richtung kompakt und besitzt oberhalb des Kolbenzapfens eine reduzierte Höhe und nur eine geringe Masse..

Die Verringerung der Masse am Ende der Pleuelstange ver-

bessert den Gleichlauf der Verbrennungskraftmaschine.

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Erfindungsgemäß ist ferner eine vergrößerte erste Kühlnische und eine zweite Kühlnische geschaffen, deren Weiten/Höhen-Verhältnis bei annähernd 1 liegt. Dieses ■ ., ^: ; . '■: ■

Verhältnis verbessert den Verwjirbelungs- und Kühleffekt des zirkulierenden Öls. >

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Nur ein einziger Schraubbplzen ist notwendig, um die _ Krone von;einer zentralen Stelle aus konzentrisch und aufeinanderfolgend vorzuspannen. Dabei ist es wichtig, daß die erhebliche und gleichmäßige' Vorspannung ohne eine Durchdringung der oberen Fläche der Krone bewerkstelligt wird.

Ferner ist es möglich, die Krone aus Eisenlegierungen zu gießen, die preiswerter sind,'als die bisher verwendeten hochzügfesten Leg ie rung-erf* Gleichzeitig kann der Gieß-

prozeß der Krone so ausgelegt werden, daß die Ventilvertiefungen in der oberen Fläche der Krone geformt verden. Auf diese Weise werden teure Nachbearbeitungsschritte für die Ventiltaschenflächen eliminiert, wie auch das mühsame Äusrunden der Taschen; von Hand. Weiterhin kann durch eine Anwendung eines Gießverfahrens die Unterseite der Krone so konturiert werden, daß sie der Oberseite folgt. Auf diese Weise wird im besonderen im äußeren peripheren Bereich der Krone eine gleichmäßige Wandstärke' erzielt, die thermische Spannungen beim Arbeiten des Kolbens in diesem Bereich gering hält.

Vorstehend wurde nur eine bevorzugte Ausführungsform und mit dieser verbunden verschiedene Vorteile erläutert. Es sind jedoch für einen Fachmann weitere Änderungen ohne weiteres durchführbar:, ohne daß der Rahmen der Erfindung dadurch verlassen werden würde.

Claims

Patentansprüche

Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor , gekennzeichnet durch ! '
einen im wesentlichen zylindrischen Kolbenkörper (70) aus einem verhältnismäßig leichtgewichtigen Material, in dem eine zentrale langgestreckte öffnung (72), ein erster, am Außenumfang des Kolbenkörpers (7p) ausgebildeter peripHerer,. Sitz (76), ein ^weiter radial innerhalb des ersten SjLtzes (76) und daziji konzentrischer und axial ausgerichtiet-er Sitz (78) sowie j ein dritter Sitz (84) angeordnet sind, der am Kolbenkörper (70) im wesentlichen axial ausgerichtet und konzentrisch radial innerhalb des zweiten Sitzes (78) und radial außerhalb der zentralen langgestreckten Öffnung (72) liegt, durch eine aus gegossenem metallischen Werkstoff gebildete Krone (50) mit einer oberen und einer unteren konturierten Fläche, wobei an der Krone eine 4^u^^ere periphere Schürze

mit einem ersten Randabschnitt (58) angeordnet und so ausgebildet ist, daß siemit dem ersten Sitz (76) des Kolbenkörpers (70) in Eingriff bringbar ist, wobei ferner ein zweiter Randabschnitt (60) sich radial innerhalb des ersten Randabschnittes (58) an der unteren Fläche der Krone (50) in axialer Richtung erstreckt und so ausgebildet ist, daß er mit dem zweiten Sitz (78) des Kolbenkörpers (70) zusammenarbeitet, und wobei ferner ein dritter ι konzentrisch radial, innerhalb des zweiten Randabschnittes (58) an der unteren Fläche der Kolbenkrone (50) liegender Randabschnitt (62) vorgeaehfn'-urid derart ausgebildet ist, daß er mit dem dritten Sitz; (84) des Kolbenkörpers (70) zusammenarbeitet;
durch ein Gewinde aufweisende Befestigungsmittel (90) , die sich durch die zentrale Öffnung (72) dies Kolbenkörpers (70) erstrecken und einen Kopfteil (92) aufweisen, der gegen einen Umf angssitz. (100) um die Öffnung (72) anlegbar ist, und einen Gewindeabschnitt (94) aufweist, der sich durch die zentrale Öffnung (72) hindurch erstreckt und in eine entsprechende Gewindebohrung (102) einschraubbar ist, die in der unteren Fläche der Krone (50) ausgebildet ist,

wobei der erste, der zweite und der dritte Randabschnitt (58,60,62) der Krone mit ihren axialen Erstreckungen derart ausgelegt sind, daß sie in nicht verspanntem Zustand der Krone bei voller Auflage des ersteh Randabschnittes (58) auf dem ersten Sitz (76) einen axialen Spalt zwischen dem zweiten -Randabschnitt (60) und dem zweiten Sitz (78) und einen größeren axialen! Spalt zwischen dem dritten Randabschnitt (62) und dem dritten Sitz (84) bilden, und wobei die Befestigungsmittel (90) derart betätigbar sind, daß sie aufeinanderfolgend den zweiten Randabschnitt (60) auf den zweiten Sitz (78)' und den dritten Randabschnitt (62) auf den dritten Sitz (84)

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pressen, ausgehend von einer zentralen Stelle, um die

Krone gegen den Kolbenkörper konzentrisch vorzuspannen und einen kompakten zusammengesetzten Kolben zu bilden, mit dem ein gleichmäßiger Kolbenlauf im Betrieb des Motors erreichbar ist, ohne daß die obere Fläche der Krone durchdrungen wird, und

wobei die obere Fläche der Krone (50) eine Umfangszone mit erhöhten Segmenten (54) und vertieften Segmenten (52) für die ungehinderte Ventilbewegung im Verbrennungsmotor aufweist, und wobei die korrespondierende untere Fläche der Krone unterhalb der peripheren Zone im wesentlichen der Kontur der oberen Fläche derart folgt, daß die Wandstärke der Krone im Bereich der peripheren Zone gleichbleibt, um thermische Spannungen in der Krone über diese periphere Zone zu minimierefi,,

:

2. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Fläche der Krone (50) zwischen dem ersten Randabschnitt (58) und dem zweiten Randabschnitt (60) und

2Ό einer axialen Fläche (104) des Kolbenkörpers (70) zwischen dem ersten Sitz (76) und dem zweiten Sitz (78) eine erste periphere Kühlnische (106) unterhalb der Krone begrenzen.

2-5 3. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Fläche der Krone (50) zwischen dem zweiten Randabschnitt (60) und dem dritten Randabschnitt (62) und einer axialen Fläche des Kolbenkörpers (70) zwischen

dem zweiten Sitz (78) und dem dritten Sitz (84) eine zweite periphere Kühlnische (106) begrenzen, die konzentrisch innerhalb der ersten Kühlnische (106) unterhalb der Krone verläuft.

4. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 3,- gekennzeichnet durch erste und sich durch den Kolbenkörper (70) erstreckende Bohrungsmittel (124,126) zum Verbinden .der ersten peri-

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pheren .Kühlnische (106) mit einer Kühlölquelle und durch wenigstens eine zweite Bohrung (134), die sich innerhalb der Krone (50) zwischen der ersten peripheren Kühlnische (106) und der zweiten peripheren Kühlnische (108) erstreckt, um dem Kühlmittel eine Strömung zwischen der ersten und der zweiten Kühlnische zu gestatten.

5. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

,c zumindest eine zweite Bohrung aus wenigstens zwei Bohrungen (134) besteht, die sich von der ersten peripheren Kühlnische (106) durch den zweiten Randabschnitt (60) der Krone in die zweite periphere Kühlnische (108) erstrecken.

6. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Weiten/Höhen-Verhältnis A:B der zweiten peripheren Kühlnische (106) bei annähernd 1 liegt.

7. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß· Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der zentralen langgestreckten öffnung (72) im Kolbenkörper (70) und die äußere Oberfläche der Befestigungsmittel ^90) eine dritte periphere Kühlnische (110) unterhalb der Krone begrenzen und daß dritte Bohrungsmittel (146) sich zwischen der zweiten peripheren Kühlnische (108) und der dritten peripheren Kühlnische (110) für einen Kühlmittelfluß zwischen diesen beiden Kühlnischen erstrecken.

8. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor, gekennzeichnet durch einen

im wesentlichen zylindrischen Kolbenkörper (70) aus einem verhältnismäßig leichtgewichtigen Werkstoff mit einer zentralen langgestreckten Öffnung (72), mit einem sich außen und oben um den Umfang des Kolbenkörpers erstreckenden ersten Sitz (76), mit einem radial innerhalb des ersten Sitzes (76) und konzentrisch zu diesem verlaufenden zweiten Sitz (78) und mit einem am Kolbenkörper radial innerhalb des zweiten Sitzes und radial außerhalb der zentralen langgestreckten öffnung (72) konzentrisch dazu verlaufenden, dritten Sitz (84), und durch eine eine obere und eine untere Ronturierte Fläche aufweisende Kolbenkrone (50), die eine äußere periphere Schürze (57) mit einem ersten Randabschnitt (58) aufweist, der so ausgebildet ist, daß er mit dem ersten Sitz (76) des Kolbenkörpers ■ (70) zum gegenseitigen Eingriff bringbar ist, mit einem zweiten radial innerhalb des ersten Randabschnittes- (58) an der unteren Seite der Krone an-

^O geordneten Randabschnitt (60), der so ausgebildet ist, daß er mit dem zweiten Sitz (78) des Kolbenkörpers (70) zusammenarbeitet, und mit einem dritten konzentrisch radial innerhalb des zweiten Randabschnittes (60) an der unteren Fläche der Krone angeordneten dritten Randabschnitt (62),

der so ausgebildet ist, daß er mit dem dritten Sitz (84) des Kolbenkörpers (70) zusammenarbeitet, durch sich durch die zentrale Öffnung (72) des Kolbenkörpers (70) erstreckende Bolzenmittel (90) mit einem Kopf (92), der gegen eine periphere Sitzfläche (100) im Kolben-

körper (70) anlegbar ist und einen gewindetragenden Abschnitt (94) besitzt, der in eine Gewindebohrung (102) einschraubbar ist, die koaxial in der unteren Fläche der Kolbenkrone (50) ausgebildet,

wobei der erste, der zweite und der dritte Randabschnitt 35

(58,60,62) der Krone (50) in axialer Richtung derart bemessen sind, daß sie bei nicht vorgespannter Krone und

, bei Aufιage des ersten Randabschnitts (58) auf ;em ersten Sitz (76) einen axialen Spalt zwischen dem zweiten Randabschnitt (60) und dem zweiten Sitz (78) und einen größeren axialen Spalt zwischen dem dritten Ra ^Jabschnitt (62)

._ und dem dritten Sitz (84) bilden, und wobei die Bolzen-· ο

mittel (90) derart betätigbar sind, daß sie aufeinanderfolgend den zweiten Randabschnitt (60) zur Anlage an den zweiten Sitz (SO) und den dritten Randabschnitt (62) zur Anlage an den dritten Sitz (84) , ausgehend von _in einer einzigen zentralen Stelle, bringen, und die Krone gegen den Kolbenkörper gleichmäßig verrannen und einen kompakten zusammengesetzten : Kolben bilden, mit dem der Gleichlauf des Kolbens im Motor verbessert wird, ohne daß die obere Fläche der Kolbenkrone durchdrungen würde,

durch eine erste periphere Kühlnische (106) unterhalb der Kolbenkrone, die von dem ersten Randabschnitt (58) und dem zweiten Randabschnitt (60) und einer axialen Fläche (104) des Kolbenkörpers (70) zwischen dem ersten Sitz (76) und dem zweiten Sitz (78) begrenzt wird, '

durch eine zweite periphere Kühlnische (IO8) unterhalb der Kolbenkrone, die durch den zweiten Randabschnitt (60) und den dritten Randabschnitt (62) und einer axialen Fläche des Kolbenkörpers zwischen dem zweiten Sitz (78)

und dem dritten Sitz (84) begrenzt wird, 25

durch erste Bohrungen (124,126), die sich durch den Kolbenkörper hindurch erstrecken und die erste periphere Kühlnische (106) mit einer Kühlmitfeelquelle verbinden, und

durch wenigstens eine zweite Bohrung (134), die sich in der Kolbenkrone (50) zwischen der ersten peripheren Kühlnische (106) und der zweiten peripheren Kühlnische (108) zur Herstellung einer Strömungsverbindung zwischen den beiden Nischen erstreckt. ·. ■ ■ '

9. Zusammengesetzter Kolben| für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 8, dädürclji gekennzeichnet, daß das Weiten/Hö^ien!-Verhältnis A/B der. feweiten| peripheren Kühl-

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nische (1<j)8)ibei annähernd 1 li^gt. :

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10. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß den Ansprüchen 8 und 9 > dadurch gekennzeichnet ,;daß eine zweite Bohrung aus wenigstens zwei Bohrungen! (13¹J) besteht, die sjLoh von der ersten peripheren Kühlnisch$ (106) durch den zweiten Randabschnitt (60) der Kolbejjikjpone (50) in die zweite periphere Kühlnische (108) erstrecken. [■ '■

11. Zusammengesetzter Kolben für einen Verbrennungs-

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motor gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Fläöhe; der Kolbenkrone (5Oj) eine periphere Zone mit erhöhten Segmenten (54) und Vertieften Segmenten (52) für eine Ungehinderte Ventilbewegung des Verbrennungsmotors aufweist, und daß die korrespondierende untere Fläche der Kolbenkrpne unterhalb der periphereit Zone im wesentlichen der Kontur der oberen FJLäche folgt, derart, daß die Wandstärke der Krone in dieser peripheren Zone im wesentlichen] gleich bleibt, ümi thermische Spannungen über diesem peripheren Bereich in der; Krone zu minimieren.

12. Zusammengesetzter Koljben für einen Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 11, dadurphj gekennzeichhet^ daß

die innere Oberfläche der zentralen langgestreckten öff- _i. hung (72) des Kolbenkörpers (7D)j und die äußere Öberfläche der Boizenmitteil (90) eine dritte periphere Kühlrtiöche (110); unterhalt» der Kröne bilden, und daß dritte Bohrungsmittel (146) sich zwischen der zweiten peripheren^ Kühl η ji. seihe (108) und der dritten peripheren Kühl-_OI-nischä (110)i für einen Kühlmitfeelfluß zwischen diesen beiden Kühihiischeh erstrecken.i : _;