DE3723005C2 - Tauchkolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchkolben für Verbren­ nungsmotoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Offenlegungsschrift DE 34 20 258 A1 ist ein Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit an den Kolbenboden angebundenen freistehenden Bolzennaben, sowie einem an der Ringpartie angelenkten kurzen Kolbenschaft ohne seitliche Abstützung bekannt.

Durch die frei stehenden Elemente Bolzennabe sowie Kolbenschaft besitzt der Kolben nur eine geringe Gestaltfestigkeit.

Der japanische Patentauszug JP 59-20549 A zeigt einen Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, dessen Bolzennaben aus in Druck- und Gegendruckrichtung verlaufenden geraden Wänden hervorgeht und über eine äußere Verstärkungsrippe mit dem Kolbenboden in Verbindung steht.

Beide geraden Wände sind in der Druck- und Gegendruckrichtung zwischen der Kolbenachse und dem Kolbenaußendurchmesser durch eine quer gestellte Wand verbunden, so daß sich eine rechteckförmige Kastenwandabstützung bis zum Kolbenboden ergibt.

Vier am Ende der geraden Wände in Kolbenachsrichtung gestaltete leistenförmige Profile ersetzen als besonderes Merkmal den herkömmlichen Kolbenschaft.

Die leistenförmigen Schaltprofile sind außermittig der Druck-Gegendruckebene über die Kastenwände freistehend angeordnet, dadurch ist unter Seitenkrafteinwirkung die Möglichkeit von seitlich ausweichenden Schaftelementen gegeben. Desweiteren ist mit einer hohen spezifischen Pressung an den Schaftkontaktflächen und mit Schmierungsproblemen (Fressern) zu rechnen.

Aus dem US-Patent 2 026 789 ist ein Tauchkolben für Verbrennungsmotoren bekannt, der an die Ringpartie angebundene Naben aufweist, die in Bolzenrichtung über zwei parallele Bodenrippen miteinander verbunden sind.

Die Kolbenschafthälften auf der Druck- und der Gegendruckseite sind, wie auch deren Anlenkung zur Nabe asymmetrisch gestaltet. Der steife Schaft auf der Druckseite ist durchgehend an die Ringpartie angeformt und zu den Naben über schräg nach oben gestellte Rippen abgestützt. Der weiche bzw. nachgiebige Schaft in der Gegendruckrichtung ist mittig von unten in axialer Richtung über ca. die halbe Schaftlänge, sowie auf Höhe der Ölnut horizontal geschlitzt. Angebunden ist der obere Schaftabschnitt über zwei axial verlaufende, schräg gestellte Rippen, die sich auf einer schwach bogenförmig, die äußere Nabenkonturen verbindende Querrippe abstützen. Sowohl die schräg angeordneten Schaftstützrippen, als auch die leicht bogenförmige Querrippe sind durch den horizontalen Schlitz vom Kolbenboden getrennt.

Eine weiche Schaftauslegung zielt zwar auf einen freßunempfindlichen und geräuscharmen Kolben, hat aber Festigkeits- und Verformungsnachteile. Im Falle bleibender Verformung des Schaftes wird das geräuscharme Verhalten eliminiert, der Kolben kann beim Anlagewechsel in der Druck-Gegendruckebene klappern und die Betriebssicherheit ist nicht mehr gewährleistet (Anriß- und Freßgefahr). Ein solcher Kolben ist mit verhältnismäßig großen Schaftflächen, das heißt langen Kolbenschäften und entsprechenden Wandstärken auszulegen, dadurch ist kein geringes Kolbengewicht erreichbar.

Durch die außen angeordneten Naben ist zudem ein langer, und somit relativ schwerer Kolbenbolzen erforderlich, desweiteren wird die Steifheit des Kolbenbodens reduziert.

Ein Kolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 soll dahingehend ausgebildet werden, daß er bei möglichst geringem Gewicht ge­ räuscharm läuft und im übrigen eine hohe Gestaltsfe­ stigkeit aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Verbindung der Bolzennaben mit an den Kolbenboden angebundenen Ringrippensegmenten und daran angelenkten Kolbenschaftelementen entsprechenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Kolbenausführungs­ form sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­ stellt. Es zeigen

Fig. 1 die Hälfte eines Längsschnittes durch den Kolben,

Fig. 2 die Hälfte einer Ansicht des Kolbens,

Fig. 3 ein Viertel des Kolbens nach einem Schnitt durch die Linie III,

Fig. 4 eine Hälfte des Kolbens in Ansicht nach Pfeil IV,

Fig. 5 ein Viertel des Kolbens im Schnitt nach Linie V,

Fig. 6 die Hälfte eines Schnitts durch den Kolben nach Linie VI,

Fig. 7 ein Viertel einer Ansicht des Kolbens in Richtung des Pfeiles VII.

Der Kolben ist aus Leichtmetall und weist einen Durchmesser D = 89 mm auf. Die Gesamtlänge H beträgt 45 mm, während seine Kompressionshöhe K = 29 mm mißt. Die Naben 1 des Kolbens sind direkt an den Kolbenbo­ den angeformt, an dem sie sich hauptsächlich abstüt­ zen. In Längsrichtung der Nabenbohrung mißt der Ab­ stand der radialen außen liegenden Nabenflächen S = 54 mm. Auf der Druck- und Gegendruckseite des Kolbens sind die Naben 1 in Umfangsrichtung über Ringrippen­ segmente 2, die direkt in den Kolbenboden einlaufen miteinander verbunden. Direkt in Druck-Gegendruck­ richtung sind an diese Ringrippensegmente 2 in Längs­ richtung verlaufende Stege 3 angeformt, die direkt mit dem Kolbenboden und der Ringpartie des Kolbenkop­ fes in Verbindung stehen. Radial sind an diese Stege 3 in Umfangsrichtung gebogene Schaftelemente 4 ange­ formt, die in Umfangsrichtung bogenförmig über einen Umfang am oberen Schaftende von alpha = 60 Grad ver­ laufen, wobei das Schaftelement in Umfangsrichtung dabei zentrisch zu der Kolbenkippebene ausgebildet ist. Die axiale Höhe des Schaftelementes beträgt R = 19 mm.

Zur Führung des Kolbens in Bolzenrichtung und zur Versteifung von Boden und Nabe gehen die Ringrippen­ segmente 2 beim Einlaufen in die Naben 1 in parallel zur Nabenbohrungsachse verlaufende Querrippen 5 über. Die Querrippen 5 erstrecken sich vom Kolbenkopf aus gesehen axial etwa bis zur Höhe der Nabenbohrungsach­ se und zwar in dem in Nabenbohrungsrichtung radial außen liegenden Endbereich. Zur Druck-Gegendruckebene hin nimmt die axiale Länge der Querrippen bis zum freien auf der dem Kolbenboden abgewandten Seite lie­ genden Ende der Naben 1 zu.

Von dem Kolbenkopf kann das Schaftelement 4 durch ei­ nen Querschlitz 6 getrennt sein. Der Querschlitz 6 geht zwar von radial außen in den Längssteg 3 hinein, durchstößt diesen aber nicht auf dessen gesamter Län­ ge.

In den Ringrippensegmenten 2 können in radialer Rich­ tung erstreckende in der Zeichnung nicht dargestellte Ausnehmungen zur Gewichtserleichterung vorgesehen sein.

Die Form der mit der Zylinderlaufbahn kontaktierenden Oberfläche der Schaftelemente 4 kann in an sich be­ kannter Weise ausgebildet sein, d.h. die axialen End­ bereiche können z.B. radial eingezogen sein, um da­ durch eine Art hydrodynamisches Aufschwimmen zu er­ reichen. Außerdem kann in Umfangsrichtung auch der in Kolbenlängsrichtung liegende Mittenbereich radial leicht eingezogen sein, um in diesem Bereich ein zu hartes Anlaufen an der Zylinderlaufbahn zu vermeiden.

Der erfindungsgemäße Kolben weist insbesondere fol­ gende Vorteile auf:

Durch eine insgesamt durch die Rippenverstärkungen steife Ausführung des Kolbenschaftes sind hohe Bela­ stungen des Kolbens möglich.

Die steife Ausführung läßt nur geringe elastische und plastische Schaftverformungen zu, was sich insbeson­ dere bei langen Laufzeiten positiv auswirkt.

Die Seitenkräfte in Druck-Gegendruckrichtung können durch die Abstützung an dem inneren praktisch ge­ schlossenen Ring, der von den Ringrippensegmenten und den Naben gebildet wird, sehr gut aufgenommen werden.

Durch die in Nabenbohrungsrichtung vorhandenen Quer­ rippen ist auch in dieser Richtung eine gute Führung gegeben, wodurch eine Obenführung des Kolbens an dem kleinen Pleuelkopf möglich ist.

Durch die relativ große innere Oberfläche des Kol­ bens, wie sie durch die Ringrippensegmente entsteht, (2 Seitenwandoberflächen pro Segment mit Anbindung zur Nabe) sind große Wärmeflußquerschnitte gegeben, die eine gute Wärmeabgabe gewährleisten. Dadurch sind hohe thermische Belastungen des Kolbens möglich.

Claims (9)

1. Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere aus Leichtmetall, bei dem die den Kolbenbolzen aufnehmenden Naben in Kolbenlängsrichtung direkt an den Kolbenboden angeformt sind und sich in Bolzenlängs­ richtung mit ihrer jeweiligen Bohrung diametral maximal bis zu 0,65×D (D = Kolbendurchmesser) erstrecken und bei dem der Schaft aus lediglich einzelnen Schaftelementen besteht, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• a) in Druck- und Gegendruckrichtung des Kolbens sind die Naben (1) über jeweils ein sich zentrisch zur Kolbenlängsachse erstreckendes ringsegmentförmiges Ringrippenseg­ ment (2) miteinander verbunden,
• b) jedes der beiden Ringrippensegmente (2) reicht in Kolbenlängsrichtung von dem Kol­ benboden, mit dem es jeweils verbunden ist, bis etwa zum vom Kolbenboden abgewandten Ende der Naben (1), in die sie einlaufen,
• c) die beiden Ringrippensegmente (2) erstrecken sich zentrisch zur Kolbenlängsachse bis maximal an die Mantelfläche eines um die Kolbenlängsachse gelegten Hohlzylinders mit einem Durchmesser von 0,75×D,
• d) in Druck- und Gegendruckrichtung ist an jedes der beiden Ringrippensegmente radial zur Kolbenlängsachse ein sich über die gesamte Höhe des Ringrippensegmen­ tes (2) erstreckender Steg (3) angeformt, an den wiederum ein zentrisch zur Kolbenlängsachse gebogenes Schaftelement (4) angeformt ist.

2. Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringrippensegmente (2) sich im Bereich der Naben (1) in parallel zur Nabenbohrungsachse verlaufenden Querrippen (5) fortsetzen, die in Kolbenlängsrichtung etwa bis zur Nabenbohrungs­ achse und radial zur Kolbenlängsachse bis zur Zylinderlaufbahn des Kolbens reichen.

3. Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaftelemente (4) von der Ringpartie des Kolbenkopfes getrennt sind und ausschließlich an den Steg (3) angeformt sind.

4. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Ringrippensegmente (2) sich um­ fangsmäßig ausgehend von den Naben (1) in Richtung Druck- und Gegendruckrichtung verkürzt.

5. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringrippensegmente (2) Aussparungen zur Gewichtserleichterung ent­ halten.

6. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaftelement (4) sich umfangsmäßig um mindestens alpha = 30 Grad und maximal alpha = 100 Grad zentrisch zur Druck- und Gegendruckrichtung erstreckt.

7. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel alpha auf der Druckseite größer als auf der Gegendruckseite ist.

8. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das in Kolbenlängsrichtung liegende freie Ende der Naben (1) die maximale Höhe H des Kol­ bens bestimmt und daß der Kolben im übrigen fol­ gende Abmessungen aufweist: H = (von 0,50 bis 0,60)×D
K = (von 0,30 bis 0,40)×D
R = (von 0,20 bis 0,37)×D
S = (von 0,50 bis 0,65)×DmitH = Gesamtlänge des Kolbens
K = Kompressionshöhe des Kolbens
R = axiale Höhe des Schaftelementes in der Druck- und Gegendruckrichtung
S = Abstand in Nabenbohrungslängsachse zwischen den äußeren Enden der Nabenbohrung

9. Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Ringrippensegmente (2), der Querrippe (5) und der Schaftelemente (4) etwa gleich ist und zwischen 0,04 und 0,09×D liegt.