DE4141281A1 - Leichtmetallkolben fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Verbren­ nungsmotoren mit Nabenbohrungen, in denen ein Kolben­ bolzen schwimmend gelagert ist.

Durch das zwischen den Nabenbohrungen und dem Kolben­ bolzen bestehende Laufspiel kommt es im Motorbetrieb durch Anschlagen des Kolbenbolzens in den Nabenboh­ rungen zu unerwünschten Betriebsgeräuschen. Dies ist vorwiegend bei warmem Motor und bei Nullast im unte­ ren Drehzahlbereich der Fall.

Das Kolbenbolzenlaufspiel innerhalb der Nabenbohrun­ gen ist wegen der unterschiedlichen Materialien von Bolzen und Kolben temperaturabhängig und im kalten Mo­ torzustand am kleinsten. Während der Kolben aus Leichtmetall ist, besteht der Bolzen aus Stahl oder Eisen, d. h. der Ausdehnungskoeffizient des Bolzenma­ terials ist wesentlich geringer als derjenige des Kolbenmaterials.

Das von dem Kolbenbolzen ausgehende Laufgeräusch er­ klärt sich insbesondere daraus, daß beim Anlagewech­ sel des Kolbenbolzen in Richtung der Pleuelachse Auf­ schlagimpulse entstehen, die über Bolzen, Pleuel und Kurbelwelle auf die Lager übertragen werden. Konkret läßt sich die Kolbenbolzenlaufgeräuschentstehung wie folgt erklären.

Kurz vor der Geräuschentstehung liegt der Kolbenbol­ zen an der Unterseite der Naben des Kolbens aufgrund des relativ hohen Unterdrucks bei geschlossener Dros­ selklappe in der Luftansauganlage und der nach oben gerichteten Massenkraft an. Etwa 20-50 Grad der Kurbelwelle vor dem Zündtotpunkt wechselt der Kolbenbolzen seine Anlage zur Nabenoberseite hin, wo­ bei der dabei entstehende Aufschlagimpuls zu hörbaren Störgeräuschen führt.

Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, das im Motorbetrieb vom Anlagewechsel des Kolbenbolzen ausgehende Geräusch zu vermindern.

Eine Lösung dieses Problems zeigt ein Kolben mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf.

Zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Lösung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Zum Verständnis der Wirkung der erfindungsgemäßen Lö­ sung ist es wichtig zu wissen, daß der Kolbenbolzen in dem Bereich von etwa 20-50 Winkelgrad vor dem Zündtotpunkt jeweils betriebsbedingt an der zur Ge­ gendruckseite liegenden Hälfte der Nabenbohrung mit leichtem Druck anliegt. Ist dies der Fall, dann kann der bei dem Anlagewechsel in Richtung der Pleuelachse erfolgende Anlagewechsel des Kolbenbolzens durch eine Führung des Kolbenbolzens innerhalb der Nabenbohrung in Richtung einer Aufschlagimpulsverminderung beein­ flußt werden. Ist der Druck in Richtung Gegendruck­ seite klein, dann hebt der Bolzen ab und durchläuft in einer freien Flugphase das Spiel und es kommt zum Aufschlagimpuls. Das Ziel der Erfindung ist es, den Druck in Richtung Gegendruckseite durch Vorspannung so weit zu erhöhen, daß der Bolzen beim Anlagewechsel an der Nabenbohrung auf der Gegendruckseite entlang­ gleitet und somit keinen Aufschlagimpuls mehr erzeu­ gen kann.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung darge­ stellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Nabe eines Kolben nach Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch die Nabe nach Fig. 1 nach Linie II-II,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Nabe eines Kolbens nach Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Schnitt nach Linie IV-IV der Nabe nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht auf die Nabe eines Kolbens von radial außen,

Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch die Nabe nach Fig. 5 entlang der Linie VI-VI

Fig. 7 eine Ansicht auf die Nabe eines Kolbens von radial außen,

Fig. 8 einen Ausschnitt aus einem Schnitt durch die Nabe nach Fig. 7 entlang der Linie VIII-VIII.

In den Fig. 1, 3, 5 und 7 sind mit "DS" und "GDS" jeweils die Druck- bzw. Gegendruckseite des Kolbens markiert.

Ein Kolbenbolzen 1 ist jeweils in einer von insgesamt zwei Naben 2 eines nicht näher dargestellten Leicht­ metallkolbens gelagert. Der Kolbenbolzen 1 besteht aus Stahl, während die Nabe als Teil des Kolbens aus Aluminium besteht.

Um den Kolbenbolzen während der gesamten oszillieren­ den Bewegung des Kolbens in Richtung der Gegendruck­ seite des Kolbens zu spannen, sind Federelemente 3 (Fig. 1, 2); 4 (Fig. 3, 4); 5 (Fig. 5, 6); 6 (Fig. 7, 8) vorgesehen. Die Federelemente liegen jeweils im Bereich der radial außen liegenden Enden der Naben­ bohrungen.

Die Federelemente 3 und 4 sind jeweils in einer um­ fangsmäßig begrenzten Nut innerhalb der Bohrung der Nabe 2 gelagert. Die Federelemente 3 und 4 sind Blattfedern mit einer Krümmung, die geringer ist als diejenige des Außenmantels des Bolzens 1. Dadurch liegt der Kolbenbolzen 1 jeweils unter dem Druck der Federelemente 3 und 4 an der in Richtung der Gegen­ druckseite des Kolbens liegenden Nabenbohrungsinnen­ wand an.

Bei der Ausführung nach den Fig. 5 und 6 ist das Federelement 5 an einen den Kolbenbolzen 1 in der Na­ be in üblicher Weise axial fixierenden Sicherungsring 7 angeformt. Das Federelement ist dabei ein parallel in Richtung der Bolzenachse umgeknicktes Ende des Si­ cherungsringes 7, wobei dieses umgeknickte Ende als Federelement 5 zusätzlich noch nach radial innen gebo­ gen ist. Dadurch kann das freie Ende des Federelemen­ tes 5 spannend auf den Kolbenbolzen 1 in der Weise einwirken, daß der Kolbenbolzen zur Gegendruckseite des Kolbens vorgespannt ist.

Bei der Ausführung des Federelementes 4 nach Fig. 3, 4 sind an dieses Anschläge 8 angeformt, die in Richtung auf die Kolbenbolzenachse aus dem Federelement her­ ausragen. Indem das Federelement 4 mit den Anschlägen 8 in einer Nut 9 der Nabe gelagert ist, die über das Ende des Kolbenbolzens 1 hinausragt, können die An­ schläge 8 Ihre Funktion als axiales Fixierelement für den Kolbenbolzen 1 erfüllen. Die Anschläge 8 sind einzeln nebeneinander liegend auf dem Federelement 4 angebracht, damit dieses seine Blattfeder-Funktion ungehindert erfüllen kann.

Bei der Ausführung nach den Fig. 7 und 8 ist das Federelement 6 wiederum an einen Sicherungsring 7 an­ geformt. Dabei bilden die Federelemente 6 die freien Enden des Sicherungsringes 7, der an seinen Enden zu­ nächst einmal zur Kolbenbolzenachse hin abgeknickt ist und sodann mit seinen letzten in Richtung der Kolbenbolzenachse abgeknickten Ende in den Kolbenbol­ zen 1 eingreift. Federnd wirkt dabei der radial zur Kolbenbolzenachse gerichtete Bereich des Federelemen­ tes 6, der in Fig. 7 gekrümmt verlaufend dargestellt ist.

Claims (8)

1. Leichtmetallkolben für Verbrennungsmotoren mit Nabenbohrungen, in denen ein Kolbenbolzen schwim­ mend gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bohrungen der Naben (2) jeweils ein Federelement (3, 4, 5, 6) vorgesehen ist, das den Kolbenbolzen (2) in Richtung der Gegendruckseite des Kolbens belastet.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (3, 4) eine gekrümmte Blatt­ feder mit einer gegenüber dem Zylindermantel des Kolbenbolzens geringeren Krümmung ist, die in ei­ ner einen Teil des Umfangs der Bohrung der Naben (2) eingebrachten Nut gelagert ist.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nut maximal über einen Nabenboh­ rungsumfang von 180 Winkelgrad erstreckt, der ge­ genüber einer in den Achsen des Kolbens und des Kolbenbolzens (1) aufgespannten Ebene auf der Kolbendruckseite liegt.

4. Leichtmetallkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Nabenbohrungsumfang über den die Nut ver­ läuft, maximal 120 bis 140 Winkelgrad umfaßt.

5. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Nut etwa 10-30% des Kolben­ bolzendurchmessers mißt.

6. Leichtmetallkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut jeweils über das Kolbenbolzenende hinausragt und die Blattfeder (4) mit senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden den Kolbenbol­ zen (1) axial fixierenden Anschlägen (8) versehen ist.

7. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (5) an den Kolbenbolzen (1) jeweils axial fixierenden außenspannend in der Nabenbohrung eingreifenden Bolzensicherungsringen (7) angeformt sind, wobei diese Abknickungen der Enden des jeweiligen Sicherungsringes (7) sind, die etwa parallel zur Achse des Kolbenbolzens (1) zur Kolbenachse hin gerichtet sind und in einer Ausnehmung der Nabenbohrung liegend mit ihren je­ weiligen freien Ende federnd an dem Kolbenbolzen­ außenumfang anliegen.

8. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (6) an den Kolbenbolzen (1) jeweils axial fixierenden außenspannend in die Nabenbohrung eingreifenden Bolzensicherungsringen (7) angeformt sind, wobei diese Abknickungen in Richtung radial zur Kolbenbolzenachse sind, deren freie Enden jeweils axial in den Kolbenbolzen eingreifen und daß die jeweils radial verlaufen­ den Abknickungsbereiche nach radial außen span­ nend ausgebildet sind.