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Kolben für $rennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf Kolben
für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf Kolben aus Leichtmetall, bei denen,
um der Ausdehnung des Metalls bei Erwärmung Rechnung zu tragen, der Mantel federnd
nachgeben muß, um sich so gut wie möglich der Zylinderfläche anzuschmiegen.
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Zu diesem Zweck bestehen die Kolben dieser Art im allgemeinen aus
einem Kopfteil, der den Kolbenboden bildet, und einem Ringteil für die federnden
Kolbenringe und die Lageraugen des Kolbenbolzens, wobei mit dem Kopfteil ein längs
geschlitzter Mantel verbunden ist.
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Bei den üblichen Bauarten findet zwischen dem geschlitzten Mantel
und dem starren Kopf eine unmittelbare Verbindung statt, die sich mehr oder weniger
in dem dem Längsschlitz diametral gegenüberliegenden Bereich des Mantels erstreckt.
Eine solche Verbindung ist jedoch nicht fest genug. Andererseits beeinträchtigen
die zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Kolbens vorgeschlagenen Mittel seine
Nachgiebigkeit.
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Gemäß der Erfindung wird ein Kolben, dessen längs geschlitzter Mantel
mit dem starren Kopf in dem dem Längsschlitz gegenüberliegenden Bereich unmittelbar
verbunden ist, ohne Beeinträchtigung seiner Anpassungsfähigkeit dadurch widerstandsfähig
gemacht, daß der starre Kopfteil außerdem an den beiden Seiten des Längsschlitzes
durch Stützen mit dem Mantel verbunden ist, die in radialer Richtung des Kolbens
nachgiebig und in axialer Richtung unnachgiebig sind.
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Auf diese Weise sind die beiden Teile des Kolbens (Kopf und Mantel)
fest miteinander verbunden. .ohne Nachbeil für die vollkommene Verformbarkeit des
Mantels, der in Richtung eines jeden Durchmessers nachgeben und sich dem Zylinder
des Motors entsprechend den Arbeitsbedingungen anpassen kann.
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Auf den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes.dargestellt.
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Fig. i ist eine Ansicht eines Gußkolbens aus einem einzigen Stück.
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Fig.2 ist ein Schnitt durch einen um 9o° gedrehten Kolben nach Fig.i.
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Fig.3 und q. sind Querschnitte durch die Achse des Kolbenbolzens und
durch den Trennschlitz in Fig. i.
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Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch einen Kolben mit angesetztem Mantelteil,
Fig.6 eine Ansicht dieses Kolbens von unten.
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Fig. 7 bis io zeigen andere Ausführungsformen, um die nachgiebige
Verbindung zwischen dem Mantelteil und dem starren Kopfteil für Kolben, die in einem
Stück gegossen werden, herzustellen.
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Fig. i i bis 13 zeigen Mittel, um das Zusammenziehen des Mantelteils
zu begrenzen. Fig. 1 ¢ und 15 zeigen im Ausschnitt nachgiebige Verbindungen zwischen
Kopfteil und Mantelteil.
Bei der Ausführungsform gemäß den Fig.
i bis ¢ besteht der Kolben aus einem Hohlkörper mit einem Boden i, einem außen mit
Ringnuten 3 für die federnden Ringe versehenen Ringteil 2 und einem glatten Mantelteil
t. Mit dem Boden i, der innere Verstärkungsrippen 5 aufweisen kann, und dem Ringteil
2 sind Augen 6, 6' fest verbunden, die Bohrungen für die Lagerung des Kolbenbolzens
der Kolbenstange aufweisen.
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Um die beiden Lageraugen 6, 6' fester mit dem Boden i und dem Ringteil
2 zu verbinden, besitzt der Kopf des Kolbens Rippen 7,7', die in den Mantelteil
4 hineinreichen und bei der vorliegenden Ausführungsform diesen in Forin von zwei
parallelen Wandungen mit den Innenseiten der Augen 6, 6' verbinden. Auf der anderen
Seite der Achse der Lageraugen 6, 6' ist der Mantelteil 4 mit einem Längsschlitz
8 versehen, und seitlich von diesem greifen an der Innenwandung des Mantelteils
die Enden zweier Stützen 9, 9' an, die von dem Kopfteil ausgehen, wo sie mit dem
Boden i oder dem Ringteil e oder auch beiden Teilen verbunden sind und sich bis
zu einer gewissen Tiefe in den Mantelteil 4 erstrecken.
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Der Mantelteil 4 und der Ringteil 2 sind voneinander durch einen Schlitz
i o getrennt, durch den auch die Lageraugen 6, 6' an ihren tiefsten Stellen von
dem Mantelteil abgetrennt sind und der über einen. großen Teil des Umfangs reicht.
Lediglich zwischen den äußeren Kanten der Rippen 7, 7' kann gemäß der Fig. 4 eine
Innenverstärkung i i der Wand vorgesehen sein. Der Mantelteil4 ist somit mit dem
Ringbeil 2 nur durch den nicht unterbrochenen Teil der Verstärkung i i verbunden,
während die Rippen 7, 7' und die Stützen 9, 9' die Verbindung zwischen dem Mantelbeil
und dem starren Kopfteil nur vervollständigen.
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Der nicht unterbrochene Teil der Verstärkung i i und die im Abstand
voneinander angeordneten Rippen 7, 7', die ' sich auf einen gewissen Teil in der
Längsrichtung des Mantelteils ¢ erstrecken, . bewirken eine starre Verbindung von
Kopfteil und Mantelteil, die sich auf einen schmalen Teil des Mantelteils beschränkt,
dessen übriger Teil dagegen infolge des Schlitzes 8 und seiner umfänglichen Trennung
vom Kopfteil nachgeben kann. Die leistenartigen Stützen 9, 9' dienen dazu, den Kopf
des Kolbens mit dem Mantelteil 4 zu verbinden, und verhindern infolge ihrer Biegsamkeit,
die durch die Länge oder ihren geringen Querschnitt erreicht wird, nicht die Verformung
des Kolbens.
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Die Verbindung zwischen dem Mantelteil und dem Ringteil kann auch
nur den Rippen 7,7' überlassen werden, in welchem. Falle der Schlitz io auch
zwischen diesen durchgeführt ist. Die Rippen 7, 7' können mehr oder weniger entfernt
voneinander angeordnet und mit dem Mantelteil 4 auf einem mehr oder weniger langen
Teil verbunden sein. Man könnte auch eine einzige Rippe oder aber auch mehr als
zwei Rippen verwenden.
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Auf jeden Fall besitzt der Kolben in dem Kopfteil und in einem mehr
oder weniger ausgedehnten Sektor des Mantelteils 4 die notwendige Starrheit, und
zwar genau in der Gegend, wo der stärkste seitliche Druck auf den Kolben wirkt,
während der übrige Teil des Mantelteils 4 sieh frei in Richtung des Durchmessers
verformen kann, wobei die Lage der Lageraugen 6, 6' für den Kolbenbolzen unverändert
bleibt. Wenn man auch diesem Mantelteil einen etwas größeren Durchmesser als dem
des Zylinders gibt, um auf diese Weise seine vollkommene Berührung mit der Innenfläche
des Zylinders auch nach einer gewissen Betriebszeit zu sichern, ist doch verhindert,
daß der Kolben trotz der Veränderungen, denen er infolge der Erwärmung unterworfen
ist, sich in dem Zylinder festfrißt.
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Der Mantelteil kann, anstatt daß er mit dem Kopfteil aus einem Gußstück
besteht, auch einen besonderen Teil für sich bilden und an einem entsprechenden
Teil des Kopfteils befestigt werden.
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Eine Ausführungsform dieser Art ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt,
in denen mit i der Böden des Kolbens, mit 2 dessen' mit Nuten versehener Ringteil
und mit 6, 6' die Lageraugen für den Bolzen der Kolbenstange bezeichnet sind. Die
Rippen 7, 7', die diese Lageraugen 6, 6' mit dem Boden i und mit dem Ringkörper
2 verbinden, bilden, ebenso wie die Stützen 9, 9', mit dem Ringteil 2 ein einziges
Stück und besitzen an ihren freien äußeren Enden zylindrisch gestaltete Teile, die
die Stützflächen für das Anbringen des Mantelteils 4' bilden.
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Bei der dargestelltenAusführungsform sind die Rippen 7, 7' an ihren
.äußeren Enden durch ein Segment i i' miteinander verbunden, das mit dem Ringkörper
in Verbindung stehen kann oder nicht und die Abstützung für den Mantelteil 4' bildet,
wobei die Stützen 9, 9' an ihren freien. Enden plattenförmig gestaltet sind. Dies
kann beispielsweise durch Umbiegen ihrer Enden erreicht werden, wie es in Fig. 6
bei 12 ; 12' gezeigt ist. Die Rippen 7, 7' können auch an ihren Enden voneinander
getrennt, bleiben und gegebenenfalls Verbreiterungen aufweisen. Die Stützen können
an ihren Enden Teile verschiedener Form für die Anbringung des Mantelteils besitzen.
Der Mantelteil 4', der aus gewalztem oder gezogenem Metall hergestellt sein kann,
wird an den Rippen 7, 7' oder dem Segment i i und den Stützen 9, 9' mit Hilfe von
Schrauben
oder Nieten 13 befestigt, die durch entsprechende Löcher
im Mantelteil und den Rippen oder Stützen durchgreifen.
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Fig. 7 und 8 zeigen im Längsschnitt zwei Kolbenausbildungen, die ähnlich
sind denen in den Fig. i bis 8, jedoch mit dem Unterschied, daß die nachgiebige
Verbindung zwischen dem starren Kopfteil 1, 2 und dem Mantelteil ¢ in der Gegend,
wo dieser den Längsschlitz 8 besitzt, durch Stützen 16 bewirkt wird, von denen jede
an ihrem einen Ende mit dem Mantelteil ¢ und an ihrem anderen Ende reit einem der
Lageraugen 6, 6' verbunden ist, die fest mit dem Boden i und dem Ringkörper 2 in
Verbindung stehen. Die Stützen 16 müssen in der Querrichtung des Mantelteils 4 genügend
biegsam sein, was entweder auf Grund ihres geringen Querschnitts oder auf Grund
ihrer Länge oder auch beider Eigenschaften gleichzeitig erzielt wird, während. sie
in der radialen und Längsrichtung des Kolbens genügend bemessen sein müssen, um
die Verbindung zwischen dem starren Kopfteil und dem Mantelteil in der Längsrichtung
des Kolbens zu sichern. Die Stützen 16 gehen von den Lageraugen 6,6' aus
und sind -gekrümmt, um mit dem Mantelteil 4 in der Nähe des an dem Ringkörper anliegenden
Bandes (Fig. 7) oder des entgegengesetzten Randes (Fig.8) in Verbindung kommen zu
können.
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Fig. 9 und i o sind Längsschnitte durch zwei Ausführungsformen des
Kolbens, die sich von der in den Fig. i bis 4 veranschaulichten durch die Art der
elastischen Verbindung des Mantelteils 4 mit dem starren Kopfteil unterscheiden.
In dem Falle der Fig.9 sind die Stützen 9 an ihrem einen Ende mit dem Mantelteil
4 und an ihrem anderenEnde mit den Rippen 17 verbunden, die wiederum den Boden i
und den Ringteil 2 mit den Augen 6 verbinden, welche die Lager für den Kolbenbolzen
bilden. Im Falle der Fig. io sind die Stützen 9 an ihrem einen Ende mit dem Mantelteil
4 und an dem anderen Ende mit dem Ringteil 2 verbunden.
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Fig. i i und 12 zeigen im Längsschnitt und in der Endansicht einen
Kolben der in den Fig. i bis 4 dargestellten Art, bei dem die nachgiebige Verformung
des Mantelteils 4 einen bestimmten Wert nicht überschreiten kann. Zu diesem Zweck
sind gegenüber dem inneren Rand der Stützen 9, 9' an den Seiten der. Lageraugen
6, 6' Vorsprünge i g, i g' vorgesehen, gegen die die Stützen 9, 9' zur Anlage kommen,
wenn der Mantelteil 4 die gewollte größte Verformung erfährt.
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Auf diese Weise kann der Mantelteil 4 nur bis zu einer gewissen Stelle
nachgeben, und indem man den Abstand zwischen den gegenüberliegenden Rändern der
Vorsprünge i9, i9' und der Stützen 9, 9' in der Ruhelage festlegt, kann man erreichen,
daß, die Verformung des Mantelteils ¢, -wenn sich der Kolben im Zylinder in Betrieb
befindet, nicht den Grenzwert der Elastizität des Metalls überschreitet. Man vermeidet
auf diese Weise die Möglichkeit, daß das Metall des Mantelteils 4, falls der Zylinder
sehr stark erhitzt ist, unter einem außergewöhnlich hohen Druck eine dauernde Verformung
erfährt.
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Zu demselben Zweck dienen auch die Ansätze 20, 20' (Fig. 13) an den
Lageraugen 6,6'.
Dasselbe Ergebnis kann selbstverständlich auch durch Anschläge
erzielt werden, die an beliebigen Stellen des Kolbenteils angeordnet sind, der fest
mit dem Kopfteil verbunden ist, und auf denen der Mantelteil 4 sich bei einer Verformung
bestimmter Größe abstützt.
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Statt daß man mehrere Arten von Abstützungen gegen eine zu große Verformung
vorsieht, wie dies in den Fig. i i und 12 der Fall ist, kann auch nur eine Art von
Anschlägen i9 und 2o Verwendung finden.
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Um schließlich noch die Elastizität der Verbindung zwischen dem starren
Kopfteil 1, 2 des Kolbens und dem elastischen Mantelteil zu verbessern, kann man
den Teilen, die diese Verbindung herstellen, eine Form geben, die eine allmähliche
Biegung gewährleistet und insbesondere den Querschnitt der Rippenwände von ihrer
Angriffsstelle zum festen Kopfteil hin allmählich abnehmen läßt.
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In den Fig. 14 und 15 sind die Stützen 9, 9' einer der in den Fig.
i bis 4 dargestellten Kolbenart herausgezeichnet.
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In dem Falle der Fig. 14 hat jede Stütze 9 eine nach unten abnehmende
Dicke, während im Falle der Fig.15 die Stützen eine abnehmende Breite aufweisen.
Diese Maßnahmen können miteinander vereinigt sein und getrennt oder zusammen für
Stützen verschiedener Form, wie z. B. bei Leisten 16 gemäß Abb.7 und 8, Anwendung
finden, die dazu bestimmt sind, den Manteltei14 mit einem starren Kopfteil nachgiebig
zu verbinden.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsformen des Kolbens kann der nachgiebige
Manteltei14 des Kolbens vor seiner Einführung in den Zylinder einen etwas größeren
äußeren Durchmesser als der innere Durchmesser des Zylinders aufweisen. Es ist infolgedessen
zweckmäßig, um die günstigsten Bedingungen hinsichtlich der Dichtheit des Kolbens
zu erzielen, daß sein Mantel einen genau kreisförmigen Querschnitt besitzt und daß
er gleichachsig mit den federnden Kolbenringen des starren Kopfteils ist, wenn der
Kolben sich unter normalen Arbeitsbedingungen befindet, d. h. wenn der Kolben im
Innern des Zylinders sich infolge der auftretenden Erwärmung ausdehnt.