DE3511557A1 - Leichtmetall-regelkolben - Google Patents

Description

KOLBENSCHMIDT AG 28. März 1985

Karl-Schmidt-Str. DRQ/USCW (2080 P)

7107 Neckarsulm

Prov. Nr. 9319 KS

Leichtmetall-Regelkolben

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetall-Regelkolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit auf der Innenumfangsflache der tragenden Kolben- „ schaftflächen angegossenen und in den Naben der Bolzenaugen I eingegossenen, vorzugsweise aus Stahl bestehenden, plat- *

ten- oder bandförmigen Regelgliedern, auf deren kolbenkopfseitigen Abschnitt sich von der Innenkontur her als Verlängerung des Kolbenkopfes zwischen den Naben der Bolzenaugen ein wulstartiger innerer Umguß bis auf 10 bis 50 % ihrer Höhe erstreckt.

Dieser in seiner Grundform als Segmentstreifenkolben bekannte Leichtmetall-Regelkolben ist in der DE-AS 10 78 beschrieben. Die dehnungsregelnde Wirkung solcher Regelglieder beruht darauf, daß die auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegende Leichtmetallschicht beim Erkalten nach dem Gießen des Kolbens auf das Regelglied aufschrumpft und sich Zugspannungen im Leichtniet al lumguß und Druckspannungen im Regelglied aufbauen. Bei den Ausführungen, bei denen der obere Rand des Regelglieds in die Ölringnut hineinreicht,

wird dieses bei der Bearbeitung der Ölringnut angestochen und freigelegt, wodurch das ursprüngliche Spannungsgleichgewicht zwischen dem Leichtmetallumguß und dem Regelglied gestört wird. Das Regelglied schnappt nach außen und erhöht die Zugeigenspannungen im Leichtmetallumguß, wodurch die Regelwirkung verbessert wird. Zwischen dem Regelglied und dem vom Kolbenkopf sich zwischen den Naben der Bolzenaugen erstreckenden, wulstartigen inneren Umguß entsteht eine Trennfuge von ca. 50 yum. Wird ein solcher Kolben im Motorbetrieb erwärmt, so vermindern sich die Spannungen entsprechend der Temperaturerhöhung und dem zufolge gegen die elastischen Verformungen im Leichtmetallumguß zurück. Dieser Vorgang überlagert sich dem natürlichen Wärmeausdehnungsbestreben der betreffenden Teile mit dem Ergebnis, daß diese sich hinsichtlich ihrer radialen Wärmeausdehnung so verhalten, als würden sie aus einem Werkstoff bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient zwischen demjenigen des Kolbenwerkstoffs und dem des Regelgliedwerkstoffes liegt. Die nach diesem Regelprinzip arbeitenden Kolben erreichen besonders im Bereich der Regelgliedlage eine gute Regelwirkung, beeinflussen jedoch den unteren Schaftbereich des Kolbens nur wenig.

Bekannt sich auch Kolbenbauarten (DE-PS 17 50 429, DE-PS 12 71 271), bei denen zur Verbesserung der Regelwirkung band- bzw. segmentförmige Regelglieder im oberen Schaftbereich mit hülsensegmentförmigen Regelgliedern im unteren Schaftbereich kombiniert sind. Damit erfolgt dann eine Regelwirkung nach zwei grundverschiedenen Prinzipien. Im oberen Schaftbereich wirkt sich überwiegend das Schrumpfregelprinzip, wie eingangs beschrieben, und im unteren Schaftbereich überwiegend das Bimetallregelprinzip aus. Die im mittleren bis unteren Schaftbereich angeordneten hülsensegmentförmigen Regelglieder bilden zusammen mit der auf ihrer äußeren Mantelfläche aufliegenden Leichtmetallschicht bimetallische Regelglieder, die bei Erwärmung

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die Tendenz haben, ihre Krümmung zu ändern. Dies führt zu einer Ovalverformung des Schaftes, wobei die größte radiale Wärmeausdehnung in Richtung der Kolbenbolzenachse wirksam wird und im Bereich der Pleuelschwingebene eine entsprechende Verminderung auftritt. Diese zur Erzielung einer Regelwirkung über den gesamten Kolbenschaft angewendete Maßnahme hat vor allem den Nachteil, daß das Kolbengewicht infolge der großflächigen Regelglieder den Anforderungen an Brennkraftmaschinen nicht mehr entspricht. Außerdem wirken sich großflächige Regelglieder gießtechnisch negativ aus.

Um den heute gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Geräuschminderung und Senkung der Reibleistung gerecht zu werden, werden minimales Kolbengewicht, minimales Einbauspiel, minimaler Schleifkurvenrückfall sowie eine kleinstmögliche Ausdehnungszunahme gegenüber der Zylinderlaufbahn erforderlich. Zur Gewährleistung einer größtstmöglichen Lebensdauer unter Beibehaltung des Fahrkomforts muß besonders das Schaftende des Kolbens steif ausgeführt sein, damit kein hoher Schafteinfall auftritt.

Mit zunehmender Steifigkeit im unteren Schaftbereich leidet vor allem der Regelwert von Regelkolben, die nach dem Schrumpfregelprinzip arbeiten. Es wird dann im unteren Schaftbereich nur eine minimale bzw. keine Regelwirkung erzielt, vor allem dann, wenn der Abstand zwischen dem Meßpunkt am unteren Schaftbereich und der Regelplattenunterkante groß ist. Regelkolben, die sowohl nach dem Schrumpfregelprinzip als auch solche nach dem Bimetallregelprinzip arbeitende Regelglieder besitzen, erfüllen die Anforderungen an ein möglichst niedrigeres Kolbengewicht nicht.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Schrumpf- und Bimetallregelprinzip in einen Regelglied zu vereinen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß das oder die Regelglieder beidseitig der Pleuelschwingebene eine zum unteren Schaftende hin offene über eine Umfangslänge von mehr als 10 % des Kolbendurchmessers verlaufende Ausnehmung aufweisen, deren axiale Höhe mindestens 30 % der Höhe des Regelgliedes einnimmt und sich maximal bis zum Beginn des wulstartigen inneren Umgusses erstreckt und in die aus dem Kolbenwerkstoff gebildete zumindest über einen Teil ihrer Umfangslänge verlaufende Vorsprünge, die zur Abstützung der die Ausnehmung begrenzenden Ränder des Regelgliedes dienen, hineinragen.

Dabei ist das ursprüngliche Schrumpfregelprinzip bezogen auf die Hohe der Ausnehmung zum Bimetallregelprinzip umfunktioniert worden. Die infolge der Bimetallwirkung erzwungene Regelwirkung beschränkt sich nicht auf die Höhe des Regelgliedes, sondern erfaßt den gesamten Schaftbereich überwiegend die Schaftmitte und das Schaftende. Mit einer derartigen Ausführung werden bei gleichem Kolbengewicht im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen Segmentstreifenkolben die guten Regelwerte des Segmentstreifenkolbens im oberen Schaftbereich beibehalten, und die Regelwerte im unteren Schaft jedoch wesentlich verbessert. Das Regelglied wird dabei in seiner axialen Höhe im Eingußbereich zur Bolzennabe hin erhöht, dafür aber in der Schaftmitte senkrecht zur Bolzenachse ausgespart. Sowohl mit der Breite als auch mit der Höhe der Ausnehmung des Regelgliedes kann das Ausdehnungsverhalten des Schaftes gesteuert werden.

Im Rahmen der Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Ausnehmung über eine Breite von bis zu 60 %, vorzugsweise von 25 bis 35 % des Kolbendurchmessers und über eine axiale Höhe von 30 bis 85 %, vorzugsweise 65 bis 75 % der Höhe des Regelgliedes.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung reichen das oder die Regelglieder mit ihrem oberen Rand in die Ölringnut und sind zumindest auf einem Teilumfang freigestochen, damit der Kolbenkopf zwischen den Bolzenaugen metallisch vom Kolbenschaft getrennt bleibt. Bei dieser Ausführung besteht zwischen dem wulstartigen inneren Umguß eine Trennfuge von ca. 50yum.

Bei Regelkolben, die extrem hohen Belastungen ausgesetzt sind, sollten das oder die Regelglieder ca. 3 mm vor der Unterflanke der Ölringnut enden und nicht freigestochen sein. In diesen Fällen verschlechtert sich allerdings das Regelverhalten an der Schaftoberkante.

Bei Kolben die vergleichsweise geringeren Beanspruchungen unterworfen sind, weist die den größeren Seitenkräften ausgesetzte Schafthälfte ein Regelglied auf, während die den kleineren Seitenkräften ausgesetzte Schafthälfte durch einen Querschlitz vom Kolbenkopf getrennt ist.

Bei Kolben mit vergleichsweise höheren Beanspruchungen ist es möglich, das Regelglied nur auf der kleineren Belastungen unterworfenen Schafthälfte anzuordnen und in der Ölringnut freizustechen. Die höheren Belastungen ausgesetzte Schafthälfte entspricht dann in der Ausführung einem Glattschaf t kolben.

Die Bimetallwirkung wird bereits dann voll erreicht, wenn sich die Vorsprünge zur Abstützung der die Ausnehmung begrenzenden Ränder des Regelgliedes nur über 30 % der Umfangslänge der Ausnehmung erstrecken.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Kanten der Ausnehmung aus Gründen der Gestaltfestigkeit verrundet sind.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Leichtmetall-Regelkolben entlang der aus Kolbenachse und Kolbenbolzenachse gebildeten Ebene.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kolben senkrecht zu der aus Kolbenachse und Kolbenbolzenachse gebildeten Ebene.

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Kolben entlang der durch die Kolbenbolzenachse verlaufenden horizontalen Ebene.

Fig. 4 einen Teillängsschnitt durch einen Leichtmetall-Regelkolben entlang der aus Kolbenachse und Kolbenbolzenachse gebildeten Ebene mit graphischer Darstellung der thermischen Ausdehnung des Kolbenschafts.

In dem aus einer üblichen Aluminium-Kolbenlegierung gegossenen Regelkolben 1 sind auf der Innenumfangsflache der tragenden Schaftflächen 2, 3 aus Stahl bestehende segmentförmig ausgebildete Regelglieder angegossen und in den Naben 6, 7 der Bolzenaugen 8, 9 eingegossen. Die Regelglieder 4, 5 reichen bis in die Ölringnut 10 und sind in der Ölringnut angestochen und freigelegt oder wie die rechte Hälfte der Fig. 2 zeigt, enden die Regelglieder 4 kurz vor der Unterflanke der Ölringnut, so daß der kolbenkopfseitige Abschnitt der Regelglieder allseitig vom Kolbenwerkstoff bedeckt ist. Auf dem oberen Abschnitt der Regelglieder 4, erstreckt sich von der Innenkontur her als Verlängerung des Kolbenkopfes zwischen den Naben 6, 7 ein wulstartiger innerer Umguß 12 bis auf etwa 20 % der Höhe der Regelglieder 4, 5, die beidseitig der Pleuelschwingebene eine zum

unteren Schaftende hin offene Ausnehmung 13 aufweisen. Die Ausnehmungen 13 erstrecken sich in der Höhe bis nahezu an den Beginn des wulstartigen inneren Umgusses 12. In die Ausnehmungen 13 ragen Vorsprünge 14, 15 des Kolbenmaterials, an denen sich die angrenzenden Ränder des Regelgliedes abstützen.

Die thermische Ausdehnung des Kolbenschafts des erfindungsgemäß gestalteten Leichtmetall-Regelkolbens ist in Fig. 4 dargestellt (durchgezogene Kurve). Daneben ist die thermische Ausdehnung für den Kolbenschaft des zum Stand der Technik gehörenden Segmentstreifenkolbens aufgetragen (gestrichelte Kurve). Ein Vergleich der beiden Kurven zeigt, daß sich bedingt durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Regelgliedes, der Kolbenschaft, insbesondere in seinem unteren Teil, deutlich weniger ausdehnt als das bei dem Kolbenschaft des Segementstreifenkolbens der Fall ist.

Claims (9)

1. Patentansprüche

   ί1.jLeichtmetall-Regelkolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, mit auf der Innenumfangsfläche der tragenden Kolbenschaftflächen angegossenen und in den Naben der Bolzenaugen eingegossenen, vorzugsweise aus Stahl bestehenden, platten- oder bandförmigen Regelgliedern, auf deren kolbenkopfseitigen Abschnitt sich von der Innenkontur her als Verlängerung des Kolbenkopfes zwischen den Naben der Bolzenaugen ein wulstartiger innerer Umguß bis auf 10 bis 50 % ihrer Höhe erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die Regelglieder (4, 5) beidseitig der Pleuelschwingebene eine zum unteren Schaftende hin offene über eine UmfangslSnge von mehr als 10 % des Kolbendurchmessers verlaufende Ausnehmung (13) aufweisen, deren axiale Höhe mindestens 30 % der Höhe des Regelgliedes einnimmt und sich maximal bis zum Beginn des wulstartigen inneren Umgusfes (12) erstreckt und in die aus dem Kolbenwerkstoff gebildete zumindest auf einem Teil ihrer Umfangslänge verlaufende Vorsprünge (14, 15) zur Abstützung der die Ausnehmung begrenzenden Ränder des Regelgliedes hineinragen.
2. 2. Leichtmetall-Regelkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmung (13) über eine Umfangslänge von bis zu 60 %, vorzugsweise 25 bis 35 %, des Kolbendurchmessers erstreckt.
3. 3. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Höhe der Ausnehmung (13) sich über eine Höhe von 30 bis 85 %, vorzugsweise 65 bis 75 %, der Regelgliedhöhe erstreckt.
4. 4. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die mit dem oberen Rand bis in die Ölringnut (10) reichenden Regelglieder (4, 5) in der Ölringnut, zumindest auf einem Teilumfang, freigestochen sind.
5. 5. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand des oder der Regelglieder (4, 5) ca. 3 mm unter der Unter flanke der Ölringnut (10) endet.
6. 6. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorsprünge (14, 15) zur Abstützung der die Ausnehmung (13) begrenzenden Ränder des Regelgliedes (4, 5) nur über 30 % der Umfangslänge der Ausnehmung erstrecken.
7. 7. Leichtmetall-Regelkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (4, 5) nur auf der den kleineren Seitenkräften unterliegenden Schafthälfte angeordnet und in der Ölringnut (10) freigestochen ist.
8. 8. Leichtmetall-Regelkolben nach einem oder mehrern der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (4, 5) auf der der größeren Belastung durch die Seitenkräfte unterliegenden Schafthälfte angeordnet ist und die der kleineren Belastung durch die Seitenkräfte unterliegenden Schafthälfte vom Kolbenkopf durch einen Querschlitz getrennt ist.
9. 9. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Ausnehmung (13) verrundet sind.