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Leichtmetallkolben mit Stahlringen für Brennkraftmaschinen Die Erfindung
betrifft einen aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen bestehenden Leichtmetallkolben,
insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit am Kolbenmantel vorgesehenen Stahlversteifungen.
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Leichtmetallkolben mit Stahlversteifungen sind an sich bereits bekannt.
Abgesehen von den bekannten Kolben, bei welchen eine aus Stahl bestehende Laufbüchse
lediglich zwecks Herabsetzung der Zylinderabnutzung vorgesehen und mittels Schrauben
oder Niete auf dem federnd ausgebildeten Kolbenmantel derart befestigt ist, daß
letzterer sich während des Betriebes ungehindert dehnen kann, besteht die Stahlversteifung
bisher gewöhnlich aus in sich geschlossenen, starren Stahlringen, welche in das
Leichtmetall des Kolbenkörpers eingegossen werden. Die eingegossenen starren Stahlringe
haben zur Folge, daß sie beim Erkalten des Kolbens von dem Leichtmetall nicht fest
umschlossen werden, sondern Zwischenräume entstehen, welche eine ungehinderte Dehnung
des Kolbens nach außen bei Erwärmung gestatten. Um ein Festfressen des Kolbens zu
verhindern, ist es daher erforderlich, den Durchmesser des aus Leichtmetall bestehenden
Kolbenmantels um den doppelten Betrag des ringförmigen Zwischenraumes zwischen den
Stahlringen und der diese umgebenden Leichtmetallwandung kleiner als den Durchmesser
der Stahlringe zu bemessen. Während einer gewissen Betriebszeit wird demnach die
Führung des Kolbens lediglich von den eingegossenen Stahlringen bewirkt, während
der aus Leichtmetall bestehende größte Teil des Kolbenmantels der Zylinderwandung
nicht anliegt. Bei nur geringer Abnutzung der Stahlringe an ihren Laufflächen ist
infolgedessen ein Klappern der Kolben unvermeidlich.
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Ähnliche Nachteile weisen auch die weiterhin bekannten Leichtmetallkolben
auf, bei welchen die in -sich geschlossenen starren Stahlringe nicht bis auf die
Außenseite des Kolbenmantels reichen, sondern auf ihrer ganzen Ausdehnung im Innern
des Leicht rnetallmantels eingebettet liegen. Der hierbei mit mehreren bis zur Kolbenmündung
durchgehenden Längsschlitzen versehene Kolbenmantel kann sich infolge der sich beim
Erkalten bildenden Zwischenräume zwischen den Stahlringen und der diese umgebenden
Leichtmetallwandung bei Erwärmung ungehindert ausdehnen, so daß der zwischen Zylinder
und Kolbenmantel jeweils vorzusehende Spielraum besonders groß bemessen werden muß
und der Kolben infolgedessen klappert oder aber häufig gefährliche Formveränderungen
erleidet.
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Die Erfindung bezweckt, die bei den bekannten Leichtmetallkolben zwischen
den eingegossenen Stahlringen und dem Leichtmetallmantel durch die verschieden starke
Schrumpfung beim Erkalten sich bildenden Zwischenräume und damit die ungehinderten
Dehnungen des Leichtmetallmantels bei der
Erwärmung zu vermeiden
und die Stahlversteifungen derart auszubilden und anzuordnen, daß das Spiel zwischen
dein Kolbeninantel und dem Zylinder bei allen Betriebstemperaturen auf der ganzen
Mantellänge des Kolbens unvenindert oder nahezu unverändert bleibt und der Mindestspielraum
zwischen Kolbenmantel und Zylinder besonders klein bemessen «-erden kann. Dies ist
erfindungsl;eiiiäß dadurch erreicht, daß in Ringnuten der Lauffläche des nachgiebigen
Kolbeninantels Stahlbänder in gegebenenfalls angewä rinteni Zustande eingepreßt
und hierauf unter Spannung an den Enden z. B. durch Schweißung unlösbar verbunden
sind, so daß die Stahlbänder den Kolbenmantel fest umschließen, keinerlei Zwischenraum
zwischen Stahlbändern und Leichtmetallmantel entstehen und der Leichtmetallmantel
sich bei Erwärmung nur 'so weit ausdehnen kann, als dies die Stahlbänder zulassen.
Die in kaltem "Zustande des Leichtmetallkolbens in Ringnuten der Lauffläche nachträglich
eingepreßten Stalilbänd er werden vorzugsweise aus einem solchen Stahl, z. B. Invarstahl,
gefertigt. der etwa den gleichen Wä rrneausdehnungskoeffizienten wie die gebräuchlichen
Zylinder besitzt; sie können vor oder nach dein Einpressen gegebenenfalls gehärtet
werden. um höhere Festigkeit und besonders gute Laufeigenschaften zuerzielen. Die
besondere Ausbildung und Anordnung der Stahlbänder ermöglicht, die Kolben nicht
nur durch Gießen in Dauerformen, sondern auch im Wege des Warmpressens herzustellen
und als Werkstoff für den Kolben auch Magnesiumlcbierungen mit verhältnismäßig geringer
Härte welche und bisher Verschleißfestigkeit, als Material für Kolben wie Elektron,
wenig geeignet erschienen, mit Vorteil anzuwenden. Vor allein aber wird durch die
Erfindung der Vorteil erzielt, daß der neue Leichtmetallkolben mit besonders geringem
Spiel in Zylinder eingebaut werden kann, ohne Mehrreibung zu verursachen, ferner
das Fressen und auch jegliches Klappern des Kolbens im Zylinder Zylinder die vermieden
erfindungsgemäß werden. erst nachträglich zu Ringen verschweißten Stahlbänder durch
Fortfall jeglichen Spiels in dem Kolbenniantel dessen Wärmeausdehnung auf der gesamten
Mantellänge regeln, können die Stahlbänder erfindungsgemäß nach ihrer Montage auf
den gleichen Durchmesser wie der Kolbeninantel abgedreht werden.
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Um die bei Erw:irinung über die Bewegung der fest geschlossenen Stahlbänder
hinausgehende Wärmeausdehnung des Kolbenmantels auszugleichen, ist letzterer erfindungsgemaß
dadurch nachgiebig ausgebildet, daß der Kolbeiunantel eine oder mehrere längsgerichtete
muldenför inige Vertiefungen mit nachgiebigen Wänden aufweist. Die Ausdehnung und
Zusammenziehung des Kolbenmantels erfolgt hierbei nicht in radialer Richtung, sondern
in Umfangsrichtung des Kolbeninantels, wobei die nachgiebigen Wandungen der inuldenföTinigen
Vertiefungen der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung entsprechend ihre Form bzw. Lage
ändern. Die Nachgiebigkeit der «Wandungen der muldenförmigen Vertiefungen wird durch
schmale Längsschlitze erreicht, welche jedoch vorzugsweise lediglich in den zwischen
den Stahlringen liegenden Teilen des Kolbenmantels vorgesehen sind, so daß Formveränderungen
der Wandungen auch nur in diesen Teilen der muldenförmigen Vertiefungen stattfinden.
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Weitere Merkmale und Vorteile des neuen Leichtmetallkolbens gehen
aus der Zeichnung hervor, welche die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht.
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Abb. i ist ein quer zum Kolbenbolzenlager durch den neuen Leichtmetallkolben
gelegter Längsschnitt.
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Abb.2 zeigt den Leichtmetallkolben im Längsschnitt durch das Kolbenbolzenlager.
Abb.3 ist ein Querschnitt durch den Kolben gemäß Linie i-i in Abb. i, Abb. q. ein
Querschnitt gemäß Linie 2-2 in Abb. i.
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Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel steht der Kopf a des aus
einer Aluminium-oder Magnesiumlegierung hergestellten Kolbens mit dem Kolbenmantel
b lediglich durch die Stege c in Verbindung, welche die Lager rl für den Kolbenbolzen
tragen, während Kopf und Mantel in den übrigen Teilen durch die Schlitze f voneinander
getrennt sind. Erfindungsgemäß sind in Ringnuten der Mantelfläche des Kolbens, nachdem
dieser gegossen bzw. waringepreßt und erkaltet ist, Stahlbänder g und g1 in gegebenenfalls
erwärmtem Zustande eingepreßt und hierauf unter Spannung an den Enden z. B. durch
elektrische Schweißung oder auf beliebig andere Weise unlösbar verbunden, so daß
jeglicher Zwischenraum zwischen den Stahlbändern und dein Leichtmetall des Kolbenmantels
vermieden ist und letzterer sich nur zusammen mit den Stahlringen g, g1 und in dem
gleichen Maß nach außen dehnen kann. Die über die Dehnung der Stahlbänder g und
g1 hinausgehende Wärmedehnung des Kolbenmantels b wird dadurch ausglichen, daß der
Kodbeninantel nachgiebig ausgebildet ist. Zu diesem Zweck weist der Kolbenmantel
erfindungsgemäß längsgerichtete muldenförmige Vertiefungen e auf, welche bei dem
gezeichneten Ausführungsbeispiel an vier Steilen vorgesehen sind und vom offenen
Kolbenende am Kolbenbolzenlager d vorbei bis .zu den
Schlitzen
f, welche den Kopf a vom Mantel b
trennen, verlaufen. Die die Vertiefungen
e bildenden Wandungen i können sowohl eben als auch gewellt ausgebildet sein. Die
Ausdehnung und Zusammenziehung des Kolbenmantels b erfolgt hierbei nicht radial
zur Zylinderachse, sondern. in Richtung der Linie 4-4 in Abb. 3 und d, wobei die
Wände i der Vertiefungen e ihre Form und Lage entsprechend verändern. Zwischen den
Stahlbändern g, g1 sind die Wände i erfindungsgemäß mit schmalen Längsschlitzen
h versehen, so daß eine Formveränderung der Wände i durch Wärmeausdehnung nur an
den Stellen l stattfindet.
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Die Stahlbänder g, g, sind nach dem Einpressen in die Ringnuten und
der nachträglichen Verbindung ihrer Enden erfindungsgeinä ß auf den gleichen Durchmesser
wie der Kolbenmantel b abgedreht. Das untere Stahlband g kann erfindungsgemäß, wie
die Zeichnung veranschaulicht, über den offenen Kolbenrand vorragen, um als Zentrierrand
bei der Bearbeitung zu dienen, während das obere Stahlband vörzugsweise die Unterkante
der den Kolbenkopf vom Kolbenmantel trennenden Schlitze f bildet.
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Zu beiden Seiten der den Kolbenboden a mit dein Kolbenmantel b verbindenden
Stege c sind erfindungsgemäß vorzugsweise sich im Innern des Kolbenmantels über
dessen ganze Länge erstreckende Versteifungsrippen h. vorgesehen, welche jeweils
von der einen Wandung der muldenförmigen Vertiefung e gebildet werden. Die Beanspruchungen
werden hierdurch auf den ganzen Kolben verteilt, so claß örtliche Überanstrengungen
und Rißbildungen vermieden werden. Die Rippen dz verhüten ferner das Durchbiegen
des Kolbenbodens und gewährleisten ferner eine besonders wirksame Wärmeableitung.
und Wärmeverteilung, so daß dieTemperatur des Kolbenbodens a verhältnismüßig niedrig
bleibt.