DE3509103A1

DE3509103A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3509103A1
Application number: DE19853509103
Authority: DE
Inventors: Ulrich Ing.(grad.) 7101 Ödheim Landau; Siegfried Dipl.-Ing. Dr. 7107 Neckarsulm Mielke; Klaus Prof. Dipl.-Ing. 7102 Weinsberg Schellmann
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1985-03-14
Filing date: 1985-03-14
Publication date: 1986-09-18
Also published as: US4747340A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem wenigstens den Kolbenboden und die Ringpartie umfassenden Oberteil und einem mit diesem über entsprechende Mittel verbundenen Unterteil.

Durch die Senkung des Gewichts von Bauteilen moderner Brennkraftmaschinen kann der Kraftstoffverbrauch verringert und somit ein Anteil zur Energieeinsparung geleistst werden. Außer der Forderung nach geringst möglichem Gewicht werden an Brennkraftmaschinen hinsichtlich ihres Geräusch- und Schwingungsverhaltens wegen der gestiegenen Komfortansprüche hohe Anforderungen gestellt. Ein Teil dieser Entwicklungsziele kann mit dem Einsatz von leichten Kolben durch deren kleinere oszillierende Massen erreicht werden. Für den Fachmann besteht demnach die Aufgabe, leichte Kolbenbauarten zu entwickeln, die der modernen Brennkraftmaschinentechnik angepaßt sind. Eine Gewichtsreduzierung darf dabei allerdings nicht zu Lasten der Betriebssicherheit und Lebensdauer gehen.

Zur Gewichtseinsparung und zur Reduzierung der Reibungsverluste sind u.a. bei Kolben für Brennkraftmaschinen am Schaft im Bereich der horizontalen Kolbenbolzenebene Aussparungen vorgesehen und die Naben der Bolzenaugen möglichst weit zur Kolbenmitte hin verschoben. Der äußere Abstand der Naben der Bolzenaugen beträgt lediglich 60 bis 75% des Kolbendurchmessers, so daß ein sehr kurzer Kolbenbolzen eingesetzt werden kann, der eine Gesamtlänge von bis zu 60% des Kolbendurchmessers besitzt. Am unteren Abschnitt des Kolbenschaftes bleibt die runde Schaftform erhalten. Die Aussparungen können aber auch bis zum Schaftende heruntergeführt sein, so daß die runden Schaftabschnitte unterhalb des Kolbenbolzens vollständig eingespart sind.

Darüber hinaus ist man bestrebt, den Abstand der Kolbenbolzenachse von der Kolbenbodenkante, also die Kompressionshöhe, so klein wie möglich auszubilden. Auf diese Weise läßt sich nicht nur eine Gewichtsersparung sowie eine Senkung der Reibungsverluste erzielen, sondern auch die Bauhöhe des Kurbeltriebgehäuses weitgehend reduzieren. Für diesen Zweck ist aus der DE-OS 32 35 220 ein Kolben für Brennkraftmaschinen bekannt, der aus einem äußeren, den Kolbenboden, das Ringfeld und den Kolbenschaft umfassenden ersten Kolbenteil und einem inneren, die Naben der Bolzenaugen tragenden zweiten Kolbenteil besteht. Um möglichst lange Pleuelstangen verwenden zu können und die durch die Massenkräfte des Kolbens bewirkten Kippmomente zu reduzieren, ist das zweite Koibenteil fest mit dem ersten Kolbenteil verbunden und die Kolbenbolzenachse im wesentlichen im Schwerpunkt des gesamten Kolbens etwa in Höhe des Ringfeldes verlaufend angeordnet. Der entscheidende Nachteil eines derartig gestalteten Kolbens besteht darin, daß der Kolbenbolzen infolge der unmittelbaren Befestigung des die Naben der Bolzenaugen aufweisenden inneren Kolbenteils am Kolbenboden infolge der hohen Kolbenbodentemperatur von bis zu 280⁰C zu stark aufgeheizt wird und eine ausreichende Schmierung nicht mehr gewährleistet ist, weil das Schmiermittel verkokt und dadurch ein hoher Verschleiß am Kolbenbolzen sowie an den Naben der Bolzenaugen hervorgerufen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den eingangs beschriebenen Kolben für Brennkraftmaschinen so zu gestalten, daß der Kolbenbolzen nur so stark während des Motorbetriebes aufgeheizt wird, daß seine Temperatur in zulässigen Grenzen bleibt und damit seine ausreichende Schmierung gewährleistet ist.

Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß der fest mit dem Pleuel verbundene Kolbenbolzen in Nabensegmenten des Unterteils und in einer achsparallel mit dem Kolbenbolzen verlaufenden zylinderabschnittförmigen Ausnehmung einer auf der Innenseite des Kolbenbodens eingesetzten aus einem wärmeisolierenden Werkstoff bestehenden Platte gelagert ist.

Diese Platte besteht vorzugsweise aus einem kerami-

sehen Werkstoff, einem mit einer keramischen Schicht überzogenen metallischen Werkstoff oder einem aus keramischen Fasern gebildeten Formkörper.

Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verbindung von Ober- und Unterteil 5 des Kolbens durch wenigstens zwei Gewindeschrauben oder Stifte, die an das Unterteil an-, eingegossen oder eingesetzt sind, in entsprechend gestaltete Bohrungen des Oberteils hineinragen und mit dem Kolbenboden fest verschraubt bzw. verschweißt sind. ι ο

Die vorzugsweise Ausbildung des Kolbens besteht darin, daß der äußere Abstand der Nabensegmente des Unterteils kleiner als der innere Durchmesser des Oberteils ist, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung der Kolbenschaft, dessen unterer runder Endabschnitt zur Führung im Zylinder dient, seitlich der Nabensegmente und unterhalb der Nabensegmente bis an den rund ausgebildeten Endabschnitt des Unterteils sehnenförmig zurückgesetzt ist.

Um eine optimale Gewichtsersparnis zu erzielen, betragen die Kompressionshöhe 20 bis 30 ⁰Zo, der Abstand der Naben der Bolzenaugen 80 bis 65 % und die Länge des Kolbenbolzens 50 bis 70 °/o des Kolbendurchmessers.

Ein besonderes Erfindungsmerkmal ist darin zu sehen, daß auf der dem Kolbenboden zugewandten Seite der Platte quer zur Bolzenrichtung verlaufende Nuten angebracht sind, die einen gezielten Bruch der keramischen Platte hervorrufen sollen, wenn durch Unsymmetrie oder Kräfteverschiebung eine nicht gleichmäßige Belastung erfolgt. Die Bruchsegmente der Platte können infolge ihrer Größe und bedingt durch die Lage des Kolbenbolzens nicht herausfallen, so daß die Wärmeisolierung und die Schmierung des Kolbenbolzens voll erhalten bleiben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Temperaturbelastung des Kolbenbolzens nicht größer als bei herkömmlichen Kolben ist und damit die Gefahr der Schmiermittelverkokung beseitigt und der Aufbau eines ausreichenden Schmierfilms zwischen den Gleitflächen der Nabensegmente und dem Kolbenbolzen gewährleistet ist.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Leichtmetallkolben entlang der die Bolzenachse und die Kolbenachse einschließenden Ebene.

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Unterteil des Leichtmetallkolbens mit eingelegtem Kolbenbolzen.

Fig. 3 einen Längsschnitt entlang der die Kolbenachse und die Richtung senkrecht zur Bolzenachse einschließenden Ebene.

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Leichtmetallkolben von unten.

Der Leichtmetallkolben besteht aus dem den Kolbenboden t und das Ringfeld 2 umfassenden Oberteil 3 mit der auf der Innenseite des Kolbenbodens 1 in der entsprechend gestalteten Vertiefung 4 eingesetzten zylinderförmigen aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Platte 5, deren Durchmesser kleiner als die Länge des Kolbenbolzens 6 ist Der Kolbenbolzen 6 ist in der zylinderabschnittförmigen achsparallel mit seiner Achse verlaufenden Ausnehmung 7 der Platte 5 und in den Nabensegmenten 8,9 des Unterteils 10 des Kolbens gelagert. Das Unterteil 10 ist durch den Einpaß 11 mit dem den korrespondierenden Einpaß 12 aufweisenden Oberteil 3 zentriert Die im Unterteil 3 eingesetzten

Stifte 13, 14 ragen in entsprechende Bohrungen 15, 16 des Kolbenbodens 1 und sind mit diesem verschweißt. In axialer Richtung ist der mit der nicht dargestellten Pleuelstange festverbundene Kolbenbolzen 6 durch die Innenseite des Ringfeldes 2 fixiert. Der äußere Abstand der Nabensegmente 8, 9 ist geringfügig kleiner als der kleinste Innendurchmesser des Oberteils 3. Der Kolbenschaft 17, dessen unterer runder Endabschnitt zur Führung im Zylinder dient, ist seitlich der Nabensegmente 8, 9 bis an deren Stirnseiten und unterhalb der Nabensegmente 8, 9 bis an den rund ausgebildeten Endabschnitt sehnenförmig zurückgesetzt. Die in der Ausnehmung 4 auf der Innenseite des Kolbenbodens 1 angeordnete Platte 5 weist zwei quer zur Richtung der Bolzenachse verlaufende als Sollbruchstellen dienende Nuten 18, 19 auf.

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- Le'erseite -

Claims

Patentansprüche

1. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem wenigstens dem Kolbenboden und die Ringpartie umfassenden Oberteil und einem mit diesen über entsprechende Mittel verbundenen Unterteil, dadurch gekennzeichnet, daß der fest mit dem Pleuel verbundene Kolbenbolzen

(6) in Nabensegmenten (8,9) des Unterteils 10 und

in einer achsparallelen mit dem Kolbenbolzen ver- ι ο laufenden zylinderabschnittförmigen Ausnehmung

(7) einer auf der Innenseite des Kolbenbodens (1) in einer entsprechend ausgebildeten Vertiefung (4) eingesetzten zylinderförmigen aus einem wärmeisolierenden Werkstoff bestehenden Platte (5) gelagert ist

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5) aus einem keramischen Werkstoff, aus einem mit einer keramischen Schicht überzogenen metallischen Werkstoff oder aus einer aus keramischen Fasern gebildeten Formkörper bestehen.

3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Oberteil (3) und Unterteil (10) über wenigstens zwei Stifte (13,14), die an das Unterteil an-, eingegossen oder eingesetzt sind, in entsprechende Bohrungen (15, 16) des Oberteils hineinragen und mit diesem verschweißt sind.

4. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Oberteil (3) und Unterteil (8) über wenigstens zwei Gewindeschrauben, die an das Unterteil an-, eingegossen oder eingesetzt sind, in entsprechende Bohrungen (15,16) des Oberteils hineinragen und mit diesem verschraubt sind.

5. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Abstand der Nabensegmente (8, 9) kleiner als der innere Durchmesser des Oberteils (3) ist.

6. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der KoI-benschaft (17), dessen unterer runder Endabschnitt zur Führung im Zylinder dient, seitlich der Nabensegmente (8,9) und unterhalb der Nabensegmente bis an den rund ausgebildeten Endbereich sehnenförmig zurückgesetzt ist.

7. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressionshöhe 20 bis 30%, der Abstand der Nabensegmente (8, 9) 80 bis 65 % und die Länge des Kolbenbolzens (6) 50 bis 70 % des Kolbendurchmessers betragen.

8. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (5) auf ihrer dem Kolbenboden zugewandten Seite mehrere quer zur Kolbenachse verlaufende schma-Ie Nuten (18,19) aufweist.