DE3820473C2 - Leichter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen leichten Tauchkolben für Verbren­ nungsmotoren nach dem Anspruch 1 des Hauptpatents DE 36 43 198 C2.

Der Kolben nach dem Hauptpatent ist eine Verbesserung des Kolbens aus DE 34 30 258 A1.

Bei einer ähnlichen Konstruktion nach der gegenüber dem Hauptpatent nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 35 23 438 A1 ist insbesondere die Festigkeit des auf der Druckseite liegenden Schaftbereiches nicht immer in einem solchen Maße gesichert wie dies bei der Ausführung nach dem Hauptpatent der Fall ist.

Der Vorteil der Kolbenausführung nach dem Hauptpatent besteht insbesondere darin, daß der Kolben auf der Druckseite, auf der der Kolbenschaft hohe Führungs­ kräfte aufzunehmen hat, durch an die Bolzennaben her­ anführende Rippen verstärkt wird, während der Kolben­ schaft auf der Gegendruckseite, auf der geringere Normalkräfte auf den Schaft einwirken, radial nach­ giebig gestaltet ist. Durch die Nachgiebigkeit auf der Gegendruckseite kann der Kolben mit äußerst ge­ ringem Spiel eingebaut werden, was für einen ge­ räuscharm laufenden Kolben äußerst wichtig ist.

Die Geräuschbildung bei einem gattungsgemäßen Kolben noch weiter zu verringern, ist die Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Kolbenausführung sorgt der entweder auf der Druck- oder auf der Gegendruckseite verlängerte Kolbenschaft für einen noch verstärkt ge­ räuscharmen Lauf.

Die ballige Schaftform mit geringsten Schaftdurchmes­ sern am oberen und unteren Schaftende sorgt für eine hydrodynamische Führung des Kolbenschaftes auf dem Schmierfilm zwischen Kolbenschaft und Zylinderwand.

Der Kolbenschaft ist über seine axiale Höhe mit zwei Balligkeitszonen ausgestattet, wobei die eine sich auf die Höhe des in Druck-Gegendruckrichtung liegenden kürzeren Schaftes bezieht, während sich die zweite Balligkeitszone im Bereich der Schaftverlängerung be­ findet. Auf diese Weise bildet sich auf dem Schaft­ mantel in derjenigen Höhe, auf der die Schaftverlän­ gerung beginnt, eine in Umfangsrichtung verlaufende Rille aus, in der ein Schmierölpolster aufgebaut wer­ den kann.

Die Schaftverlängerung befindet sich bevorzugt auf der Druckseite des Kolbens.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 den Längsschnitt eines Kolbens,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie II-II in Fig. 1.

Der Kolben ist aus einer Aluminium-Silizium-Legierung und weist einen Durchmesser von 100 mm auf. Die Bol­ zennaben 1 sind direkt an den Kolbenboden angeformt. Der Abstand T von der radial außen liegenden Fläche der Bolzennabe 1 zur Kolbenachse beträgt 34 mm. Der Innendurchmesser der Nabenbohrung beträgt 24 mm. Die obere Kolbenringnut 2 dient zur Aufnahme eines Ver­ dichtungsringes, während in der unteren Kolbenringnut 3 im Motorbetrieb ein Ölabstreifring eingesetzt ist. Der Kolben besitzt eine Kompressionshöhe H von 29 mm. Auf einem Umfang von alpha = 60 Grad zu beiden Seiten der Pleuelschwingebene mißt die Kolbenschafthöhe A = 21 mm auf der Gegendruckseite des Kolbens. Auf der Kolbendruckseite mißt die Schafthöhe E = 25 mm wie­ derum auf einem Umfang von jeweils alpha = 60 Grad zu beiden Seiten der Pleuelschwingebene. Die Schafthöhe E auf der Druckseite übersteigt die Schafthöhe A um die Länge V = 4 mm.

Die Schaftmantelfläche ist über die Höhe A über den gesamten Schaftumfang ballig mit geringsten Durchmes­ sern an beiden Enden der Schafthöhe A. In Druck-Ge­ gendruckrichtung des Kolbens ist die Balligkeit des Schaftes durch eine Schaftmantellinie M gekennzeich­ net. Auf der Druckseite des Kolbens besitzt der Schaft in dem Verlängerungsbereich V ebenfalls eine in axialer Richtung ballige Außenform mit jeweils ei­ nem geringsten Durchmesser am oberen und unteren Ende. Die Mantellinie in Druck-Gegendruckrichtung ist dort W.

In der Höhe des Schaftes auf der Druckseite, auf der die beiden Balligkeitszonen M und W axial aneinander­ stoßen, bildet sich eine Umfangsrille 6 aus, in der sich ein Schmierölpolster ausbilden kann. Die balli­ gen Schaftformen sind in bekannter Weise so ausgebil­ det, daß sich eine optimale hydrodynamische Führung des Kolbens auf dem sich zwischen Kolben und Zylin­ derwand befindlichen Schmierfilm einstellen kann.

In den umfangsmäßig sich an die Schaftbereiche mit den Höhen A und E jeweils in Bolzenrichtung angren­ zenden Bereichen nimmt die Schafthöhe jeweils auf ei­ nen Wert B = 2, 5 mm ab. Auf dem Schaftbereich der Höhe A ist das Schaftende auf einer Höhe von C, das heißt 29% der Schafthöhe A im Rahmen der insgesamt balligen Form zurückgenommen mit einer maximalen Zu­ rücknahme an der unteren Schaftkante von radial 0,1 mm. Die radiale über den gesamten Kolbenumfang sich erstreckende Zurücknahme des Schaftes in diesem Be­ reich ist für die erfindungsgemäß angestrebte Funkti­ on des Kolbens äußerst wichtig, da sich in diesem Be­ reich eine hydrodynamisch wirkende Schmierölschicht ausbildet. Eine ähnliche Ausbildung befindet sich auch an dem freien Schaftende mit der Höhe E, wobei ebenfalls das Ziel der Ausbildung einer hydrodynami­ schen Schmierölschicht verfolgt wird.

Auf der Druckseite des Kolbens steht der Kolbenschaft über Rippen 4 mit den Bolzennaben 1 in Verbindung. Hierdurch erhält der Kolbenschaft auf dieser Seite eine hohe Deformationssteifigkeit. Auf der Gegen­ druckseite ist eine solche Steifigkeit wegen der dort auf den Kolbenschaft einwirkenden geringeren Normal­ kräfte nicht notwendig und auch nicht erwünscht. An­ gestrebt wird auf jener Seite vielmehr eine gewisse Nachgiebigkeit, um den Kolben mit möglichst engem Spiel unter Vermeidung von Schaftreibern bei allen Motorbetriebsverhältnissen in den Motorzylinder ein­ bauen zu können. Um das Einbauspiel noch weiter mini­ mieren zu können, kann im Inneren des Kolbenschaftes ein Regelstreifen 5 aus Stahlblech vorgesehen sein. Solche Regelstreifen erstrecken sich jeweils prak­ tisch über den gesamten Umfang der Schaftinnenfläche zwischen dem zur Durchführung des Kolbenbolzens durch den Schaft vorhandenen halbkreisförmigen Schaftaus­ nehmungen. Die Verankerung der Regelstreifen erfolgt jeweils nur an den Enden in dem Schaftmaterial. In dem dargestellten Beispiel ist lediglich auf der Ge­ gendruckseite des Kolbens ein Regelstreifen 5 einge­ setzt. Da der Schaft auf der Gegendruckseite ohnehin nachgiebig gestaltet ist, erweist es sich bei dem Einsatz von Regelstreifen in nur einem der gegenüber­ liegenden Tragflächenbereiche als zweckmäßig, diese dann auf der Gegendruckseite anzuordnen.

Claims (4)

1. Leichter Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere Pkw-Otto-Motoren, bei dem

• - die Bolzennaben (1) am Kolbenboden senkrecht angeformt sind und mit Abstand von einem die Ringnuten (2, 3) aufnehmenden, vom Kolbenboden ausgehenden ringförmigen Kolbenschaft angeordnet sind, mit den Abmessungen
  H/D = 0,20-0,35
  T/D = 0,22-0,38
  A/D = 0,15-0,25
  B kleiner als A
  mit
  D = Kolbendurchmesser
  H = Kompressionshöhe
  T = Abstand der radial außen liegenden Nabenflächen von der Kolbenlängsachse
  A = Schafthöhe unterhalb der unteren Ringnut, gemessen in der Pleuelschwingebene auf der Druck- oder Gegendruckseite des Kolbens,
  B = Schafthöhe unterhalb der unteren Ringnut, gemessen in der Ebene Z, die durch die Kolbenbolzenachse und die Kolbenlängsachse festgelegt ist,
• - bei dem der Kolbenschaft auf einer ersten Seite der Ebene Z die Höhe A in einem Umfangsbereich von alpha = 0 Grad bis mindestens alpha = 30 Grad und maximal alpha = 75 Grad zu jeder Seite der Pleuelschwingebene besitzt, während die Hö­ he in den anderen Umfangsbereichen auf dieser ersten Seite der Ebene Z geringere Werte als die Höhe A aufweist und bei dem ferner ausschließlich auf der Kolbendruckseite der Kol­ benschaft über je eine sich in Kolbenlängsrichtung erstrecken­ de Rippe (4) mit den Bolzennaben (1) verbunden ist, nach Patent DE 36 43 198 C2,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß der Kolben auf der zweiten Seite der Ebene Z einen verlängerten Kolbenschaft mit einer Schafthöhe E unterhalb der unteren Ringnut aufweist, gemessen in der Pleuel­ schwingebene, die größer ist als die Schafthöhe A auf der ersten Seite der Ebene Z und für die ein Verhältnis E/D = 0,25-0,45 gilt, und
• - der Kolben auf der zweiten ,Seite der Ebene Z die Höhe E in einem Umfangsbereich von alpha = 0 Grad bis alpha = min­ destens 30 Grad und maximal 75 Grad zu jeder Seite der Pleuelschwingebene aufweist, während die Höhe in den ande­ ren Umfangsbereichen auf der zweiten Seite der Ebene Z ge­ ringere Werte als die Höhe E aufweist.

2. Leichter Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft über die Höhe A mindestens in Druck-Gegendruckrichtung in Kolbenachsrichtung eine Mantelform (Mantellinie M) mit einem größten Durchmesser zwischen den Enden der Höhe A besitzt und daß der Schaft in dem Bereich mit der Höhe E in seinem über die Höhe A axial hinausreichenden Bereich V eine in Druck-Gegendruckrichtung eben­ falls ballige Mantelform (Mantellinie W) mit je einem kleinsten Durchmesser an jedem der beiden axialen Enden aufweist.

3. Leichter Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftbereich mit der Höhe E auf der Druckseite des Kolbens liegt.

4. Leichter Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftbereich mit der Höhe E in derjeni­ gen axialen Höhe, an der die Verlängerung V be­ ginnt, auf seiner der Zylinderwand des Motors zu­ gewandten Außenfläche mit einer Umfangsrille (6) versehen ist.