DE4129746A1 - Gebauter kolben fuer hubkolbenmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gebauten Kolben für Hub­ kolbenmaschinen, insbesondere für Großmotoren, mit einem unteren Kolbenteil und einem hierauf aufgenommenen, obe­ ren Kolbenteil, wobei die einander zugewandten Abstütz­ flächen aufeinander abwälzbar ausgebildet sind.

Ein Kolben dieser Art ist aus der EP 00 07 661 B1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung sind die einander zugewand­ ten Abstützflächen über ihrer Breite unprofiliert. Im Idealfall müßte sich ein kreisförmiger Streifen ergeben, entlang dessen die beiden Kolbenteile aneinander anliegen. Ideale Verhältnisse liegen jedoch im Betrieb nicht vor. In diesem Zusammenhang ist davon auszugehen, daß sich das Kolbenoberteil beispielsweise durch die Wirkung der Ein- und Auslaßventile und anderer Einflüsse in Umfangsrich­ tung ungleichmäßig erwärmt und dementsprechend auch un­ gleichmäßig ausdehnt. Hinzu kommt, daß das Kolbenunter­ teil durch die Wirkung des in der Regel Verwendung finden­ den Kolbenbolzens über dem Umfang ungleichmäßig abgestützt ist. Es ergeben sich dementsprechend Bereiche mit unter­ schiedlicher Flächenpressung. Es besteht daher die Gefahr, daß die Flächenpressung örtlich zu klein ist, um Relativ­ bewegungen zwischen Oberteil und Unterteil zu verhindern und daß die Flächenpressung örtlich so groß ist, daß die Festigkeit des Materials überschritten wird. Die Folge da­ von ist, daß örtlich aus den Abstützflächen Material aus­ bricht und daß dieser Ausbruch infolge der Relativbewegun­ gen der beiden Kolbenteile der örtlich vorhandenen, sehr hohen Pressungen mit den Abstützflächen kalt verschweißt. Diese Kaltschweißstellen führen zu einer weiteren, schnel­ len Beschädigung der Abstützflächen und damit zu einer ra­ santen Verkürzung der Lebensdauer.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung, einen Kolben eingangs erwähnter Art so zu verbessern, daß die Entstehung von Kaltschweißstellen im Bereich der gegenseitigen Abstützflächen von Oberteil und Unterteil weitestgehend verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die zugeordnete Abstützfläche enthaltende Bereich wenig­ stens eines Kolbenteils eine Profilierung mit mehreren, zumindest durch umlaufende Nuten voneinander getrennten Stegen aufweist, deren Konfiguration so ist, daß die im Bereich der tragenden Abstützflächen im Betrieb erzeugte Normalspannung einen Preßverband ergibt und daß die unter Betriebsverhältnissen auftretenden Dehnungen in axialer und radialer Richtung unterhalb der Streckgrenze des ver­ wendeten Materials liegen.

Die erfindungsgemäße Profilierung ergibt eine Möglichkeit zur Federung in axialer und radialer Richtung. Diese ela­ stische Nachgiebigkeit in axialer Richtung stellt sicher, daß auch bei Verwendung von vergleichsweise hartem Mate­ rial, das an sich wenig duktil ist, Druckspitzen nivelliert werden und der jeweils tragende Steg bzw. die jeweils tragenden Stege unter entsprechender Verformung, die bei Wegfall der Beanspruchung ebenfalls wegfällt, auf ihrem ganzen Umfang weitgehend gleichmäßig trägt bzw. tragen. Es ist daher in vorteilhafter Weise eine so hohe Flächen­ pressung möglich, daß sich einerseits ein Preßverband er­ gibt, d. h. keine Relativbewegungen zwischen den beiden Kol­ benteilen mehr auftreten können, und andererseits aber die dabei entstehende Normalspannung die Materialfestigkeit nicht überschreitet. Die Elastizität in radialer Richtung stellt sicher, daß dennoch, d. h. ohne gegenseitige Rela­ tivbewegungen der beiden Kolbenteile, eine unterschied­ liche Ausdehnung in radialer Richtung möglich ist. Die Folge davon ist, daß die gegenseitigen Abstützflächen nicht ausbrechen und dementsprechend eine lange Lebens­ dauer gewährleistet ist. Infolge der durch die erfindungs­ gemäße Profilierung geschaffenen, erhöhten Elastizität gel­ ten die oben geschilderten Vorteile in vorteilhafter Weise auch für den Fall, daß beispielsweise das aus billigerem Material bestehende Kolbenteil, in der Regel in Form des Kolbenunterteils, nicht wie bisher aus vergleichsweise weichen Aluminiumlegierungen besteht, sondern aus einem Material mit demgegenüber hoher Zugfestigkeit und damit hohem Elastizitätsmodul, z. B. Sphäroguß GGG60, was die Sicherheit und Tragfähigkeit insbesondere im Bereich der Kolbenbolzenlagerung erhöht. Dennoch handelt es sich hier­ bei um im Vergleich zum edlen Material, aus dem in der Regel das Oberteil hergestellt wird, sehr kostengünstiges Material, was sich vorteilhaft auf die erzielbare Wirt­ schaftlichkeit auswirkt.

Da das Oberteil in der Regel aus edlerem Material besteht als das Unterteil, ist die erfindungsgemäße Profilierung zur Erzielung einer hohen Gesamtelastizität zweckmäßig im Bereich des Unterteils vorgesehen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß die Stege zumindest teilweise durch radial verlaufen­ de Nuten unterbrochen sind. Diese Maßnahme ergibt prak­ tisch ein Stollenprofil und damit eine besonders hohe Gleichmäßigkeit der gegenseitigen Anlage. Um eine zuver­ lässige, gegenseitige Zentrierung der beiden Kolbenteile zu gewährleisten, kann zweckmäßig der radial innerste Steg ununterbrochen umlaufen.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kön­ nen die Nuten im Bereich ihres Grunds ausgerundet sein, wodurch Kerbspannungen vermieden werden.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, daß die profilierte Abstützfläche vorzugsweise durch Kugelstrahlen oberflächenverdichtet ist. Dies ergibt eine hohe Sicherheit gegen Rißbildung.

In weiterer, vorteilhafter Ausgestaltung der übergeordne­ ten Maßnahmen kann die der profilierten Abstützfläche ge­ genüberliegende Abstützfläche mit die auf den Stegen zur Anlage kommenden Anlagebereiche begrenzenden Entlastungs­ rillen versehen sein. Am Rand der Anlagebereiche der Stege ergibt sich die maximale Hauptnormalspannung. Die Entla­ stungsrillen beseitigen die Gefahr einer von der hohen Hauptnormalspannung ausgehenden Rißbildung.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der übergeordneten Maßnahmen kann darin bestehen, daß die Stege der Profilie­ rung an einem eingelegten, gehärteten Zwischenring mit un­ profilierten Anlageflächen anliegen. Diese Maßnahmen füh­ ren ebenfalls zu einer Vermeidung von Rißbildung, ohne daß Entlastungsrillen erforderlich wären. Diese Fortbil­ dung eignet sich daher besonders für Fälle mit sehr hoher Schwellbelastung sowie für den Reparaturfall.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fort­ bildungen der übergeordneten Maßnahmen ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispie­ le anhand der Zeichnung in Verbindung mit den restlichen Unteransprüchen.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Kolben mit profilierter, unterer Abstützfläche,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Abstütz­ bereichs für einen Lastfall p₀ (thermisch nicht belastet),

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Abstütz­ bereichs für einen Lastfall p₁ (Betriebs­ fall),

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eine Stollen­ profils,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Kolben mit den Profilnuten gegen­ überliegenden Entlastungsrillen und

Fig. 6 einen Axialschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Kolben mit eingelegtem, gehärtetem Zwischenring.

Der der Fig. 1 zugrundeliegende Kolben besteht aus einem den Kolbenboden enthaltenden, aus edlem Werkstoff, bei­ spielsweise legiertem Stahl, hergestellten Oberteil 1 und einem das Oberteil zentrisch aufnehmenden, das Kolbenhemd enthaltenden, aus duktilerem Werkstoff als das Oberteil, beispielsweise aus Sphäroguß GGG60, hergestellten Unter­ teil 2. Das Oberteil 1 und das Unterteil 2 sind durch hier nicht näher dargestellte Schrauben miteinander verbunden, die die gegenseitigen Abstützflächen 3, 4 durchsetzen. Das Oberteil 1 liegt mit seiner Abstützfläche 3 auf der dieser gegenüberliegenden Abstützfläche 4 des Unterteils 2 auf. Zur Zentrierung des Oberteils 1 gegenüber dem Unterteil 2 sind geeignete, umlaufende Bunde 5, 6 vorgesehen.

Die Abstützfläche 4 des Unterteils 2 ist innen höher als außen und verläuft in radialer Richtung entlang einer polyponalen Krümmungslinie, so daß die im Ausgangszu­ stand horizontale Abstützfläche 3 des Oberteils 1 im Falle einer Verformung des Oberteils 1 unter der Wirkung des Zünddrucks und der Betriebstemperaturen auf der Ab­ stützfläche 4 des Unterteils 2 abrollen kann. Die im Ra­ dialschnitt eine polygonale Oberfläche aufweisende, un­ tere Abstützfläche 4 besitzt dementsprechend einen stufen­ artigen Verlauf mit verschiedenen Belastungszuständen zu­ geordnete Teilflächen, die jeweils mit einem zugeordneten Winkel, dem sogenannten Twistwinkel, gegenüber der Horizon­ talen geneigt sind, wie in Fig. 2 bei α angedeutet ist. Die Krümmung der polygonalen Abstützfläche 4 ist in der Zeichnung übertrieben dargestellt. In der Praxis liegt der zugeordnete Krümmungsradius in der Größenordnung von 10 m.

Der für das Unterteil 2 Verwendung findende Werkstoff GGG60 besitzt bar einen hohen Elastizitätsmodul und dem­ entsprechend eine hohe Zugfestigkeit und ergibt damit eine hohe Tragfähigkeit im Bereich der Kurbelzapfenla­ ger. Ein Werkstoff mit hohem Elastizitätsmodul kann je­ doch Verformungsspitzen bei Lastwechseln schlecht abfan­ gen. Um dennoch einen örtlichen Anstieg der Flächenpres­ sung und gegenseitige Relativbewegungen von Oberteil 1 zu Unterteil 2 zu vermeiden und damit Beschädigungen der Ab­ stützflächen 3, 4 durch Kaltschweißerscheinungen vorzubeu­ gen, ist die Abstützfläche 4 des Unterteils 2 mit einer durch umlaufende Nuten 7 und Stege 8 gebildeten Profilie­ rung versehen. Jeder Steg 8 ist dabei einer Teilfläche der polygonal gekrümmten Abstützfläche 4 zugeordnet. Die oberen Stirnflächen als die tragenden Anlageflächen 9 sind dem­ entsprechend gemäß dem zugeordneten Twistwinkel α gegenüber der Horizontalen geneigt. Jeder Steg 8 ist dabei einer be­ stimmten Last zugeordnet, bei der er zum tragen kommt und bei der die jeweils anderen Stege 8 nicht tragen.

Die Stege 8 besitzen eine im Vergleich zum die gesamte Ab­ stützfläche 4 enthaltenden Kragen große Elastizität in axialer und radialer Richtung. Die Elastizität in axia­ ler Richtung stellt sicher, daß der jeweils tragende Steg 8 auch im Falle einer ungleichmäßigen Belastung über dem Umfang im wesentlichen gleichmäßig niedergedrückt wird und somit auf seinem ganzen Umfang im wesentlichen gleichmäßig trägt. Infolge dieses gleichmäßigen Tragens auf dem Umfang läßt sich die zulässige Pressung im Betrieb so weit erhöhen, daß keine Relativbewegung zwischen Oberteil 1 und Unterteil 2 möglich ist, d. h. daß sich ein Preßverband ohne Relativ­ bewegung zwischen Oberteil 1 und Unterteil 2 ergibt, ohne daß die Gefahr eines örtlichen Überschreitens der zulässi­ gen Pressung in Kauf genommen werden muß. Um plastische Verformungen zu verhindern, ist lediglich sicherzustellen, daß die im Betrieb insbesondere durch die Wirkung der ther­ mischen Ausdehnung auftretende Pressung die Streckgrenze des unedleren Werkstoffs des Unterteils 2 nicht überschrei­ tet. Das Oberteil 1 soll ohnehin aus einem edleren Werk­ stoff mit noch höherer Streckgrenze bestehen.

Die obigen Bedingungen werden anhand der Fig. 2 und 3 im einzelnen verdeutlicht. In Fig. 2 trägt ein Steg 8. Die bei p₀, angedeutete Pressung, die keine Relativbewe­ gungen zwischen Oberteil 1 und Unterteil 2 zuläßt, darf die Streckgrenze des unedleren Materials, hier des Werk­ stoffs des Unterteils 2, nicht überschreiten. Die der Fig. 2 zugrundeliegende Situation ist die Ausgangssituation bei noch nicht vorhandener, thermischer Belastung. In die­ sem Fall trägt jeweils der erste, auf den innersten, ledig­ lich der Zentrierung dienenden Steg folgende Steg 8. Im Falle einer zunehmenden thermischen Belastung wandert der Abstützbereich nach außen, d. h. es kommen die in Richtung von innen nach außen aufeinanderfolgenden Stege 8 nach­ einander zum tragen. Diese Situation läßt sich praktisch mit dem Gehen auf einer Treppe vergleichen.

Der Fig. 3 liegt der weitere Extremfall zugrunde, daß zwei einander benachbarte Stege 8 tragen. Die bei p₁ ange­ deutete Pressung muß hier immer noch so groß sein, daß Relativbewegungen zwischen Oberteil 1 und Unterteil 2 verhindert werden. Wenn die Pressung p₀ noch innerhalb der Streckgrenze des unedleren Materials liegt, ist dies bezüglich p₁ auf jeden Fall ebenfalls gegeben. Daß mehr als zwei Stege 8 tragen, ist infolge der polygonalen Krümmung der Abstützfläche 4 nicht zu erwarten. Es genügt daher, wenn die in Fig. 2 bei s angedeutete Breite der Stege 8 auf die beiden, den Fig. 2 und 3 zugrundelie­ genden Extremfälle abgestellt ist. In den meisten Fällen liegt die Breite s der Stege 8 zwischen 7,5% und 12% der Gesamtbreite der Abstützfläche 4. Im dargestellten Beispiel beträgt die Breite s der Stege 8 vorzugsweise 10% der Ge­ samtbreite der Abstützfläche 4.

Die Nuten 7 sind im Bereich ihres Grunds ausgerundet, wie in Fig. 2 durch den Radius r angedeutet ist. Hierdurch werden Kerbspannungen verhindert, so daß die zulässige Materialfestigkeit auch im Falle einer für einen Preß­ verband notwendigen, hohen Pressung nicht überschritten wird. Zur weiteren Vergütung der Oberfläche und damit zur Erzielung einer weitergehenden Sicherheit gegen Riß­ bildung können die gesamte Abstützfläche 4 oder jeden­ falls die Wandungen der Nuten 7 durch Kugelstrahlen ober­ flächenverdichtet sein. Auch im Bereich der gegenüberlie­ genden Abstützfläche 3 ist eine derartige Oberflächenver­ gütung denkbar. Die in Fig. 2 bei c angedeutete Tiefe der Nuten 7 ist so bemessen, daß die Stege 8 eine ausreichen­ de axiale und radiale Elastizität erhalten, um ein gleich­ mäßiges Tragen auf dem gesamten Umfang zu gewährleisten und die radialen Schubbewegungen des Oberteils 1 aufneh­ men zu können, ohne daß Relativbewegungen zwischen Ober­ teil 1 und Unterteil 2 stattfinden müssen, die durch die erwähnte hohe Pressung ausgeschlossen sind. Die Tiefe c liegt normalerweise in der Größenordnung von 6% bis 10% der Gesamtbreite der Abstützfläche 4 und beträgt im dar­ gestellten, bevorzugten Beispiel 8%. Die erfindungsgemäße, durch die Nuten 7 und Stege 8 gebildete Profilierung schließt demnach örtliche Überbeanspruchungen und Rela­ tivbewegungen aus. Es besteht daher keine Gefahr einer Zerstörung der Abstützflächen 3, 4 durch sogenannte Kalt­ schweißstellen.

Die Stege 8 können ununterbrochen umlaufen. Es ist aber auch durchaus möglich, die Stege 8 zur Erzielung einer besonders hohen Gleichmäßigkeit und Elastizität in Um­ fangsrichtung zu unterbrechen, so daß sich ein Stollen­ profil der in Fig. 4 angedeuteten Art ergibt. Hierzu sind zusätzlich zu den in Umfangsrichtung umlaufenden Nuten 7 radial verlaufende Nuten 10 vorgesehen, die die umlaufenden Stege 8 in einzelne Stollen 11 unterteilen. Der innerste Steg 8 dient, wie weiter oben schon ausge­ führt wurde, lediglich zur Zentrierung des Oberteils 1. Dieser innerste Steg ist zur Bewerkstelligung einer zu­ verlässigen Zentrierbarkeit des Oberteils 1 daher nicht unterbrochen.

Die maximale Hauptnormalspannung tritt erfahrungsgemäß am Rande des Bereichs der Anlage der Abstützfläche 3 des Oberteils 1 auf dem jeweils tragenden Steg 8 bzw. den jeweils tragenden Stegen 8 auf. Um hier eine Rißbildung zu vermeiden, kann das Oberteil 1, wie in Fig. 5 dar­ gestellt ist, im Bereich der Abstützfläche 3 mit die den Anlageflächen 9 der Stege 8 zugeordneten Berührungsflä­ chen begrenzenden Entlastungsrillen 12 versehen sein. Diese sind, wie aus Fig. 5 weiter erkennbar ist, wesentlich seichter als die Nuten 7 des Unterteils 2. Die Entlastungs­ rillen 12 können zur Vermeidung von Kerbspannungen im Be­ reich ihres Grunds ebenfalls ausgerundet sein. Ebenso ist eine Oberflächenvergütung etwa durch Kugelstrahlen etc. zweckmäßig.

Anstelle der Entlastungsrillen 12 kann, wie Fig. 6 zeigt, zwischen Oberteil 1 und profiliertem Unterteil 2 ein dün­ ner, gehärteter Stahlring 13 mit planparallelen Anlage­ flächen 14 eingelegt sein. Der Ring 13 soll härter als der dem Oberteil 1 zugrundeliegende, edlere Werkstoff sein. Der Ring 13 liegt seinerseits mit seiner unteren Auflagefläche 14 auf einer infolge der erfindungsgemäßen Profilierung in axialer und radialer Richtung elastischen Stützfläche auf, wodurch Relativbewegungen des Rings 13 gegenüber dem aus vergleichsweise billigem und dement­ sprechend im Falle von Relativbewegungen gefährdetem Werkstoff bestehenden Unterteil 2 vermieden werden. Gleich­ zeitig ergibt sich ein günstiger Verlauf des Kraftflusses zwischen dem Unterteil 2 und dem Oberteil 1, so daß dort keine Gefahr einer Rißbildung besteht. Auf Relativbewe­ gungen zwischen dem Ring 13 und dem Oberteil 1 kommt es nicht an, da das Oberteil 1 aus vergleichsweise edlem, nicht zerstörungsanfälligem Material bestehen soll.

Claims (16)

1. Gebauter Kolben für Hubkolbenmaschinen, insbesondere für Großmotoren, mit einem unteren Kolbenteil (2) und einem hierauf aufgenommenen, oberen Kolbenteil (1) wobei die einander zugewandten Abstützflächen (3, 4) aufeinander abwälzbar ausgebildet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die zugeordnete Abstützfläche (3 bzw. 4) enthaltende Bereich wenigstens eines Kolbenteils (1 bzw. 2) eine Profilierung mit mehreren, zumindest durch umlaufende Nuten (7) voneinander getrennten Stegen (8) aufweist, deren Konfiguration so ist, daß die im Be­ reich der tragenden Flächen im Betrieb erzeugte Normal­ spannung einen Preßverband ergibt und daß die unter Betriebsverhältnissen auftretenden Dehnungen in axialer und radialer Richtung unterhalb der Streckgrenze des verwendeten Materials liegen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus duktilerem Material bestehende Kolbenteil (2) die durch Nuten (7) und Stege (8) gebildete Profilie­ rung aufweist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die untere Abstützfläche (4) enthaltende Bereich des unteren Kolbenteils (2) die durch Nuten (7) und Stege (8) gebildete Profilierung aufweist.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stege (8) zumindest teil­ weise durch radial verlaufende Nuten (10) unterbrochen sind.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der radial innerste Steg ununterbrochen um­ läuft.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Profilierung gegen­ überliegende Abstützfläche (3) mit die auf den Stegen (8) zur Anlage kommenden Anlagebereiche begrenzenden Entlastungsrillen (12) versehen.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die obere Abstützfläche (3) enthaltende, aus edle­ rem Material bestehende, obere Kolbenteil (1) die Ent­ lastungsrillen (12) aufweist.

8. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlastungsrillen (12) seichter als die Nuten (7) der Profilierung sind.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Nuten (7) und/oder Ent­ lastungsrillen (12) im Bereich ihres Grunds ausgerundet sind.

10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stege (8) der Profilie­ rung an einem eingelegten, gehärteten Zwischenring (13) mit unprofilierten Anlageflächen (14) anliegen.

11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zumindest die profilierte Abstützfläche (4) vorzugsweise durch Kugelstrahlen oberflächenvergütet ist.

12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Breite der Stege (8) 7,5% bis 12%, vorzugsweise 10%, der Gesamtbreite der zugeordneten Abstützfläche (4) aufweist.

13. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten (7) 6% bis 10%, vorzugsweise 8%, der Gesamtbreite der zu­ geordneten Abstützfläche (4) aufweist.

14. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die profilierte Abstützflä­ che (4) des Unterteils (2) ein in radialer Richtung polygonales Profil mit den Anlageflächen (9) der Stege (8) zugeordneten, unterschiedlichen Twistwinkeln auf­ weist.

15. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstützfläche (3) des Oberteils (1) im Ausgangszustand horizontal verläuft.

16. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der untere Kolbenteil (2) aus Eisenmetall, vorzugsweise Sphäroguß, besteht.