DE3714400A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere von Personenkraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In dem Bemühen um eine ständige Reduzierung der in dem Kolbentrieb von Brenn­ kraftmaschinen auftretenden Reibungsverluste und Triebwerksbelastungen werden möglichst geringe Kolbenmassen und kleine Flächen zur Übertragung der in dem Kolben wirkenden Querkräfte auf die umgebenden Zylinderwandungen angestrebt. Bisher war es jedoch nicht möglich, die Kolbenschaftfläche beliebig zu verkleinern, da die Betriebssicherheit beeinträchtigt wurde. Wegen der hohen Wärmedehnungen im Bereich des Ringfeldes sowie wegen des dort herrschenden Schmiermittelman­ gels konnten nämlich die Ringstege nicht zur Übertragung der seitlichen Stütz­ kräfte des Kolbens auf die Zylinderwandung herangezogen werden. Vielmehr mußten unterhalb der Ringstege genügend große Kolbenhemdflächen vorgesehen werden, die die gesamte Kolbenschaftlänge und die Kolbenmasse vergrößerten. Auch in den Fällen, in denen die Kolbenringe in besonderen, von dem Kolbengrundkörper gehaltenen Ringträgern angeordnet sind, ergaben sich keine grundsätzlich anderen Verhältnisse, da die bekannten Ringträger lediglich aus besonders verschleißfesten Stahlwerkstoffen bestanden, während der Kolbengrundkörper beispielsweise aus einer Leichtmetallegierung bestand.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, einen Kolben für Brennkraftmaschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem die Kraftübertragung auf die Zylinderwandung und die Reibverhältnisse verbessert werden und bei dem darüber hinaus Möglichkeiten für eine Verkleinerung der Kolbenschaftlänge geschaffen werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von keramischen Werkstoffen für den Ringträger wird durch die diesen Werkstoffen eigene thermische Isolierwirkung sowie auch die gegenüber metallischen Werkstoffen wesentlich geringere thermische Dehnung die Möglichkeit geschaffen, den Ringträger selbst zumindest teilweise zur Abstützung der Kolbenquerkräfte an der Zylinderwand mitheranzuziehen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ausführungen wird also der Außendurchmesser des Ringträgers zumindest in den Bereichen, in denen die am Kolben wirkenden Querkräfte übertragen werden können, so ausgelegt, daß sie unmittelbar an der Zylinderwandung anliegen. Gegenüber herkömmlichen Kolbenausführungen, bei denen erst die unterhalb des Ringfeldes vorgesehenen Kolbenhemdflächen zur Übertragung der Kolbenquerkräfte herangezogen werden, wobei gleichzeitig wegen des Abstandes dieser Flächen von der Ebene der Kolbenbolzen mitunter erhebliche Drehmomente entstehen, ergeben sich hier wesentlich verbesserte Kraftübertra­ gungsverhältnisse. Daneben bewirkt das günstigere Reibungs- und Verschleißverhalten von keramischen Werkstoffen einen verringerten Verschleiß des Ringstegbereiches sowie einen Abfall der Reibungsverluste.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Kennzeichen der Unteransprüche.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schema­ tischer Darstellungen gezeigt. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben,

Fig. 2 einen Teil eines horizontalen Schnitts durch den Kolben in Höhe des Ringträgers und

Fig. 3 einen ebenfalls horizontalen Schnitt durch den Kolben in Höhe des Ringträgers zur Darstellung einer alternativen Ausführungs­ form.

In der Zeichnung sind für gleiche oder vergleichbare Bauteile jeweils die gleichen, gegebenenfalls mit einem Strich versehenen Bezugszeichen verwendet worden. Dabei stellt 1 den Kolben insgesamt dar, der beispielsweise für eine schnell laufende Brennkraftmaschine eines Personenkraftfahrzeugs vorgesehen ist. Dieser Kolben 1 weist einen beispielsweise aus einer Leichtmetallegierung bestehenden Kolben­ grundkörper 2 auf mit einem Kolbenhemdbereich 3 a und einem Kolbenboden 3 b. In einer zumindest über einen Teilbereich des Umfangs sich erstreckenden ring­ förmigen Ausnehmung 5 des Kolbengrundkörpers 2 ist ein Ringträger 4 gehalten, der Ringnuten 6 zur Aufnahme von hier nicht weiter gezeigten herkömmlichen Kolbenringen aufweist. Dieser Ringträger soll aus einem keramischen Werkstoff bestehen, der im Vergleich zu dem aus Leichtmetall bestehenden Kolbengrundkör­ per 2 ein günstigeres Reibungs- und Verschleißverhalten gegenüber dem metalli­ schen Material der Zylinderwandung aufweist. Der Außendurchmesser bzw. die Außenkontur des Ringträgers 4 ist dabei so festgelegt, daß er zumindest in dem etwa senkrecht zu der Achse des mit 10 angedeuteten Kolbenbolzens liegenden Umfangsbereich an der umgebenden Zylinderwandung 13 anliegt und dort damit zur Übertragung der von dem Kolbenbolzen 10 auf den Kolben 1 ausgeübten Querkräfte auf die Zylinderwand während des Betriebs der Brennkraftmaschine beiträgt. Dieser keramische Ringträger 4 kann in dem metallischen Kolbengrundkörper 2 durch Eingießen oder aber, wie dies in der Zeichnung schematisch angedeutet ist, durch einen den Ringträger fest einspannenden Abschlußring 7 gehalten sein. Dieser aus einem metallischen Werkstoff bestehende Abschlußring 7, dessen Außenkontur 11 gegenüber der umgebenden Zylinderwandung 13 einen Feuersteg bildet, kann seinerseits an dem Kolbengrundkörper 2 auf verschiedene Weise befestigt sein. In der Zeichnung ist dabei eine Verschraubung 8 zwischen dem Abschlußring 7 und dem Kolbengrundkörper 2 angedeutet; jedoch kann anstelle dessen auch ein Schrumpfsitz, eine Verklebung oder Verschweißung oder dgl. vorgesehen sein. In jedem Fall soll der Abschlußring, der gegebenenfalls auch eine Ringnut 9 zur Aufnahme eines weiteren Kolbenringes aufweisen kann, den Ringträger 4 axial und falls dies nicht bereits durch den Kolbengrundkörper 2 geschieht, auch in Umfangsrichtung sichern.

Der Ringträger 4 kann, wie dies in der Fig. 2 der Zeichnung angedeutet ist, als geschlossen umlaufender Ring oder, wie dies in der Fig. 3 gezeigt ist, in Form von formschlüssig durch Hinterschneidungen 12 in dem Kolbengrundkörper 2′ gehaltenen Ringsegmenten 4′ ausgebildet sein. Diese Ringsegmente 4′ sind dann vorzugsweise in denjenigen Umfangsbereichen des Kolbens 1 vorgesehen, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens 10 liegen, wobei diese Bereiche z.B. etwa jeweils 1/6 des Kolbenumfangs umfassen können. Diese Bereiche sind bereits bei herkömmlichen Kolbenausführungen als die Bereiche ausgezeichnet, in denen die Kolbenquerkräfte auf die Zylinderwandung übertragen werden. Zumindest in diesen Bereichen würde auch der in der Fig. 2 der Zeichnung gezeigte, als geschlossener Ring ausgebildete Ringträger 4 eine an der Zylinderwandung anliegende Außenkontur zum Zwecke der Querkraftübertragung aufweisen. Der Ringträger 4 könnte demzufolge eine ähnlich ovale Außenkontur aufweisen, wie dies die Kolben­ hemden herkömmlicher Kolben bereits heute haben.

Die axiale Fixierung des in der Fig. 3 gezeigten segmentförmigen Ringträgers 4′ kann im übrigen in der gleichen Weise wie bei einem geschlossenen Ring erfolgen, also z.B. durch Eingießen oder durch Anbringung eines besonderen Abschlußringes 7, wie er beispielsweise in der Fig. 1 gezeigt ist.

Durch entsprechende Werkstoffauswahl für den Ringträger 4 kann, wie oben be­ reits angedeutet wurde, dafür gesorgt werden, daß die Wärmedehnung dieses Kol­ benbereiches gering bleibt. Darüberhinaus kann auch beim Fehlen einer Ölschmie­ rung ein gutes Gleitverhalten mit wenig Verschleiß erreicht werden. Dies macht es möglich, den Ringträger selbst zur Übertragung der Kolbenquerkräfte auf die Zylinderwand heranzuziehen, wodurch nicht nur die Kolbenschaftlänge verringert und dadurch die Kolbenmasse reduziert, sondern gleichzeitig auch die Kraftüber­ tragungsverhältnisse verbessert werden können, indem die Querkräfte zumindest teilweise in einem gegenüber der Kolbenbolzenebene wesentlich angehobenen Niveau übertragen werden können, so daß die zuvor auftretenden Kippmomente zumindest reduziert werden.

Claims (10)

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Personenkraftfahrzeuge, mit einem in einem Kolbengrundkörper gehaltenen Ringträger zur Aufnahme von dem Kolben zugeordneten Kolbenringen, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (4) aus einem keramischen Werkstoff besteht und zumindest teilweise zur Übertragung der an dem Kolben (1) wirkenden Querkräfte auf die Zylinder­ wandung (13) ausgebildet ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (4) in dem Kolbengrundkörper (2) durch Eingießen gehalten ist.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (4) in eine am Kolbengrundkörper (2) vorgesehene Ausnehmung (5) eingesetzt und durch einen am Kolbengrundkörper befestigbaren Abschlußring (7) gehalten ist.

4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußring (7) eine einen Feuersteg gegenüber der umgebenden Zylinderwandung (13) ausbildende Umfangsfläche (11) aufweist.

5. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußring (7) mittels einer Verschraubung (8) an dem Kolbengrundkörper (2) befestigt ist.

6. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschlußring (7) durch einen Schrumpfsitz auf dem Kolbengrundkörper (2) gehalten ist.

7. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschluß­ ring (7) durch eine Klebung oder Schweißung auf dem Kolbengrundkörper (2) gehalten ist.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (4) als geschlossen umlaufender Ring ausgebildet ist.

9. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (4′) durch nur auf einem Teil des Kolbenumfangs vorgesehene, in dem Kolbengrundkörper (2′) formschlüssig gehaltene Ringsegmente gebildet ist.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (4′) im wesentlichen in dem etwa senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens (10) lie­ genden Umfangsbereich des Kolbens (1′) vorgesehen sind.