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Kolben mit einem Kopf aus einem Werkstoff verhältnismäßig hoher Wärmeausdehnung
Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben, der für die Verwendung in Brennkraftmaschinen
geeignet ist und bei allen Betriebstemperaturen im wesentlichen den gleichen Paßsitz
im Zylinder aufweist.
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Bei den meisten gebräuchlichen Kolben besitzt der für den Kolbenkopf
verwendete Werkstoff eine verhältnismäßig hohe Wärmeausdehnung, während der für
den Kolben manfel verwendete Werkstoff eine geringere Wärmeausdehnung aufweist.
Dies trifft beispielsweise für alle Fälle zu, in denen der Kopf aus Leichtmetall
und der Mantel aus Stahl besteht. Erfindungsgemäß werden nun diese beiden Teile
des Kolbens zwar fest, dabei jedoch derart miteinander verbunden, daß der Kopf sich
ausdehnen kann, ohne gleichzeitig eine entsprechende Ausdehnung des Mantels herbeizuführen.
Es wird im folgenden auch dargelegt, wie man einen solchen Kolben einfach durch
Aufgießen des Kopfes auf den Mantel herstellen kann, also einen Kolben, bei dem
Kopf und Mantel fest; aber doch so nachgiebig miteinander verbunden sind, daß der
Kopf sich zusammenziehen und ausdehnen kann, während der Mantel praktisch seine
normalen Abmessungen beibehält.
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Die Verbindung zwischen dem Kopf und dem Mantel wird erfindungsgemäß
so ausgebildet, daß zunächst in den Kopf ein Ende des Verbindungsstückes fest eingelassen
ist, daß sich hieran ein nicht eingelassenes Stück anschließt, und daß dann ein
in radialer Richtung unnachgiebiger Teil sich anschließt. Von dem nachgiebigen Teil
wird die Ausdehnung des Kopfes sozusagen federnd aufgenommen, und der sich daran
anschließende unnachgiebige Teil verhindert die Übertragung dieser durch die Temperatursteigerung
während des Betriebs hervorgebrachten Ausdehnung auf den Kolbenmantel.
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Man hat schon früher versucht, dadurch zum Ziel zu kommen, daß man
den oberen Teil des Mantels kräftig verstärkte, doch fehlte das nachgiebige Zwischenstück,
die Unterschiede der Wärmeausdehnung konnten sich also nicht ausgleichen, sondern
wurden zwangsmäßig unterdrückt, wodurch sich unerwünschte Spannungen im Werkstoff
ergaben, ohne daß das Ziel auf die Dauer erreicht wurde. Ein anderer Vorschlag ging
dahin, den oberen Teil des Mantels nachgiebig auszubilden. Die Bauart war so getroffen,
daß dieser nachgiebige Teil die Wärmeausdehnung des Kopfes gerade auf den ganzen
Mantel übertragen mußte.
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Demgegenüber ergibt die neue, vorstehend bereits kurz skizzierte und
im folgenden an Hand der Zeichnungen an einigen Ausführungsbeispielen näher erläuterte
Bauart einen Kolben, der auch im Dauerbetrieb trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
der verschiedenen Teile einen guten Paßsitz im Zylinder behält, ohne daß sich schädliche
Spannungen im Kolben ausbilden.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Notwendigkeit, sich mit den
unterschiedlichen
Wärmeausdehnungen im Kolben zu beschäftigen, auftrat,
als man bei Brennkraftinaschinen zu Leichtmetallkolben überging. Unter.< dem
Gesichtspunkt der Gewichtsersparn.r$-' hätte man gern die Kolben ganz aus Leicl#t=,
metall, vorzugsweise aus Aluminium, hergestellt. Da aber die Zylinder, in denen
die Kolben arbeiten, regelmäßig aus Eisen bestehen und der t7 nterschied des Wärmeausdehnungsvermögens
von Eisen und Aluminium sehr groß ist, wäre es dann nicht möglich, für alle Betriebstemperaturen
einen guten Paßsitz des Kolbens im Zylinder zu haben. Man fertigte daher nur den
Kolbenkopf aus Leichtmetall, den lIantel dagegen aus Stahl. Damit ergab sich die
Aufgabe, diese beiden Teile des Kolbens so aneinander zu befestigen, daß nicht nur
eine sichere mechanische Verbindung hergestellt wird, die den beträchtlichen, beim
Arbeiten des Kolbens entstehenden Kräften und den Auswirkungen der unterschiedlichen
Ausdehnung von Kopf und Mantel widerstehen muß, sondern daß verhindert, wird, daß
sich die Ausdehnung und Zusammenziehung des Kopfes auf den Mantel überträgt. Dann
kann der Mantel so bemessen werden, daß er bei niederen Temperaturen dicht in den
Zylinder paßt, und da das Eisen des Mantels sich im wesentlichen im gleichen Maße
ausdehnt wie das Eisen des Zylinders, ergeben sich infolgedessen in dem gesamten
Gebiet normaler Betriebstemperaturen keine wesentlichen Änderungen für den Paßsitz
des Mantels in dem Zylinder. Es stellen dar: Fig. i eine Seitenansicht des Kolbens
nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. i, Fig.3 einen
vergrößerten Teilschnitt der Verbindung zwischen. Kopf und Mantel des Kolbens nach
Fig. i und 2, Fig. d. einen Teilschnitt durch die Nabe für den Schubstangenholzen
des Kolbens nach Fig. i, Fig.5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer
der Fig. 3 entsprechenden Darstellung, Fig.6 eine Einzeldarstellung des Mantelflansches
und Fig. 7 einen senkrechten Schnitt durch eine Form zum Aufgießen des Kopfes auf
den .Mantel nach der Erfindung.
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In Fig. i ist bei i ein Kolbenmantel dargestellt. Dieser Mantel kann
aus einem zu einem Zylinder gezogenen Eisen- oder Stahlblech bestehen oder aus einem
Rohr o. dgl. hergestellt sein. Er ist verhältnismäßig dünnwandig, im allgemeinen
weniger als 1,6 mm dick. Er besteht aus einem ganzen und ununterbrochenen Zylinder,
d. h. der Mantel braucht nicht aufgeschlitzt oder sonstwie eingeschnitten zu sein,
um einen Schlitz zu schaffen, der die Dehnung aufnimmt. Der :Mantel ist an einander
gegenüberliegenden .Seiten mit Öffnungen 2 zum Einsetzen des -Kolbenbolzens versehen.
Der obere Rand des Mantels besitzt einen einwärts gerichteten Flansch 3, der im
wesentlichen radial gerichtet ist und den oberen Teil des Mantels ringförmig verstärkt.
An dem Flansch 3 sitzt ein Ansatz, der das nachgiebige Verbindungsstück zwischen
Mantel und Kopf enthält. In den Fig. i, 2, 3 und :1 ist dieser Ansatz mit q. bezeichnet;
er ist nach innen und aufwärts zum Kolbenkopf hin gerichtet. In der Ausführungsform
nach Fig. 5 ist der nachgiebige Ansatz 4o nach innen und abwärts, d. h. nach dem
offenen Ende des Kolbens hin gerichtet. In beiden Fällen kann die freie Kante des
Ansatzes 4. bzw. 4o mit Schwalbenschwanznuten versehen sein, wie in Fig. 6 bei 5
angedeutet. An dem mit den üblichen Ringnuten 17 versehenen Kopf 6 befinden sich
innerhalb des Mantels die Naben 16 für den Schubstangenbolzen, deren Lager mit den
Öffnungen 2 in dem Mantel ausgerichtet sind. Der Kopf kann mit der üblichen Querrippe
18 versehen sein. Wie am klarsten aus Fig. 3 und q. ersichtlich, kann in axialer
Richtung zwischen dem oberen Teil des Mantels und dem Kopf ein Zwischenraum vorgesehen
sein.
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Bei der Herstellung des Kolbens setzt man den Mantel in eine geeignete,
noch zu beschreibende Form ein und gießt den Kopf 6 aus Aluminium, Aluminiumlegierung
oder einem anderen geeigneten Metall auf den Mantel auf. Die Anordnung ist so getroffen,
daß ein beträchtlicher Teil des Ansatzes q bzw. 40 in das Gußmetall des Kopfes eingelassen
ist, der andere Teil aber freiliegt. Man hat dann eine sichere mechanische Verbindung
des Mantels mit dem Gußmetall des Kopfes, die untrennbar, aber nachgiebig ist. Die
Schwalbenschwanznuten tragen gegebenenfalls noch zur Erzielung einer sicheren Verbindung
bei, da sie eng mit dem Guß-:netall verbunden werden. Auch die schräge Form des
Ansatzes d. bzw. 4o bewirkt schon eine sichere mechanische Verbindung.
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Mit Ausnahme der außerhalb des Ansatzes q. bzw. do liegenden Teile
bestimmt sich die Form des Kopfes durch den Mantel. Beim Aufgießen des Kopfes wird
der Mantel in der Regel bis zu einer Temperatur erhitzt, die annähernd der Temperatur
des geschmolzenen Gußmetalls entspricht. Infolgedessen durchläuft bei der Erstarrung
und der Abkühlung des Gußmetalls auf gewöhnliche Temperaturen der Mantel ebenfalls
ein ungefähr gleiches Temperaturintervall. Da jedoch das Gußmetall einen größeren
Ausdehnungskoeffizienten
aufweist, wird es sich beim Abkühlen in
stärkerem Maße zusammenziehen als der Eisenmantel, und demgemäß wird der Ansatz
4 bzw. 40 einer erheblichen Kontraktionskraft unterworfen, die danach strebt, den
Durchmesser des Ansatzes zu verringern. Es ist jedoch ersichtlich, daß die freie
Kante des Ansatzes sich biegen oder nachgeben kann. Das Zusammenziehen des Gußmetalls
wird also ein Zusammendrücken des Ansatzes 4 bzw. 40 hervorrufen, aber der Ansatz
kann in seinem nach dem Flansch 3 hin liegenden Teil nachgeben. Dieses Nachgeben
oder Sichbiegen ist in den Fig.3, 4 und 5 durch gestrichelte Linien angedeutet.
Da der Ansatz 4 bzw. 40 in dieser Weise nachgeben kann, und da sein äußerer Rand
an dem Radialflansch 3 sitzt, der wegen seiner radialen Erstreckung bedeutend steifer
gegenüber Beanspruchungen in radialer Richtung ist, wird die relative Kontraktion
zwischen dem Kopf und dem Mantel durch die Nachgiebigkeit des Ansatzes 4 bzw. 4o
aufgenommen, und der im Zylinder geführte Teil des Mantels i wird durch diese Kontraktion
gar nicht oder nur in verschwindendem Maße beeinflußt. Während der Kontraktion kann
sogar eine gewisse Relativbewegung zwischen dem Kopf und dem Mantel längs der Schulter
7, nämlich an der Stelle, wo der Mantel mit dem Kdpfmetall in Berührung steht, eintreten.
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Es ist ferner ersichtlich, daß die unterhalb des radialen Flansches
3 liegenden Teile des Kopfes gegen die innere Fläche des Mantels i vergossen werden.
Diese Teile sind in Fig. 4 und 5 bei 8 angedeutet. Da diese Teile durch die innere
Fläche des Mantels geformt werden, sind ihre Maximalabmessungen bei beginnender
Erstarrung durch den inneren Durchmesser des Mantels bestimmt. Infolge der größeren
Zusammenziehung des Kopfmetalls beim Abkühlen wird dasselbe von dem Mantel weggezogen,
so daß ein Zwischenraum g zwischen Kopf und Mantel entsteht. Die Größe dieses Zwischenraumes
hängt von der relativen Kontraktion der beiden Metalle ab und ist außerdem im wesentlichen
proportional dem Temperaturbereich, innerhalb welchem die ursprüngliche Kontraktion
stattgefunden hat. Es ist ersichtlich, daß das Temperaturgebiet beim späteren Betrieb
niemals so ausgedehnt sein kann wie das ursprüngliche Temperaturgebiet, `welches
das Gußmetall bei der Kontraktion nach dem Guß durchlaufen hat. Infolgedessen kann
eine spätere Ausdehnung des Kopfes während des Betriebes des Kolbens nie so groß
werden, daß der Spalt g vollkommen ausgefüllt wird.
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Bei der Herstellung des Kolbens kann eine Form benutzt werden, wie
sie in Fig. 7 dargestellt ist, die zwei Formhälften io und einen auseinandernehmbaren
Kern 1i, 1a, 13 besitzt. Der geformte Mantel wird auf eine Temperatur vorgewärmt,
die annähernd der Temperatur des geschmolzenen Gußmetalls entspricht. Im allgemeinen
ist eine unmittelbar unter Rotglut liegende Temperatur geeignet. Der vorgewärmte
Mantel wird dann in die Form eingebracht (Fig. 7), worauf das Gußmetall durch einen
Einguß 14 in üblicher Weise in die Form eingegossen wird. Die Anordnung ist so getroffen,
daß das Metall um den Flansch 3 und den Ansatz 4 bzw. 4o herumfließt, wodurch der
Ansatz bei Erstarrung des Gwßmetalls in der bereits: bie!s,chriebenen Weise teilweise
in das Metall eingebettet wird. Bei dem Kolben mit dem abwärts gerichteten Ansatz
4o muß also dafür gesorgt werden, daß der mit 8 bezeichnete Teil des Kopfes nicht
ganz bis oben an den Verstärkungsflansch 3 heranreicht, so daß ein kleiner uneingebetteter
Teil des Verbindungsstückes 4.o übrigbleibt. Dies kann in einfachster Weise dadurch
erreicht werden, daß man den Kopf auf den stehenden Kolbenmantel aufgießt. Es gelingt
dann sozusagen von selbst, wahrscheinlich dadurch, daß sich Luft beim Gießvorgang
in den Ringraum unterhalb des Flansches 3 sammelt, den oberen Teil des Ansatzes
4o uneingebettet zu halten. Nachdem der Guß erstarrt ist, wird die Form in beliebiger
Weise geöffnet und das Gußstück entfernt. Der Kolben kann dann auf Maß bearbeitet
werden.
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Beim Abkühlen des Kolbens auf gewöhnliche Temperaturen biegt sich
der Ansatz 4 bzw. 4o nach innen, wie in der Zeichnung dargestellt, und rings um
seinen Umfang herum entsteht, wie in Fig. 5 dargestellt, ein Zwischenraum zwischen
Mantel und Kopf. Erwärmt sich der Kolben im Normalbetrieb der Maschine, so kehrt
der Ansatz 4 bzw. 40 infolge der Ausdehnung teilweise in seine ursprüngliche Lage
zurück, und gleichzeitig wird der Zwischenraum 9 teilweise ausgefüllt. Außer der
oben geschilderten Wirkung veranlassen diese auf die äußere schräge Fläche des Ansatzes
4 bzw. 4o einwirkenden Wärmekräfte ein festes Aufpressen des Mantels auf die Schulter
7 des Kopfes, so daß jegliche Lockerung an dieser Stelle vermieden wird.
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Da das Gußmetall sich um den Ansatz herum stark zusammenzieht, besteht
ein inniger Kontakt für die Wärmeleitung von Kopf zu Mantel. Da der Umfang des Mantels
nicht unterbrochen und so ausgebildet ist, daß er mit der Zylinderwandung praktisch
auf seiner ganzen Ausdehnung in Berührung steht, ist auch eine wirkungsvollWärmeableitung
durch die Zylinderwandung-gegeben. Es gelingt daher, den Mantel auf verhältnismäßig
niedriger
Temperatur zu-halten. Da die Berührungsfläche des Mantels mit dem Zylinder sehr
viel größer ist als die Berührungsfläche zwischen dem Kopf und dem Mantel, wird.
obwohl für die L.bertragung von Wärme ein inniger Kontakt zwischen dem Kopf und
dem Mantel vorhanden ist, doch stets mehr Wärme vorn Mantel auf die Zylinderwandung
abgeleitet, als vom Kopf auf den Mantel übertragen wird. Man verhindert also eine
übermäßige Erhitzung des Mantels. Praktische Versuche haben ergeben, daß die Temperatur
des Mantels nur unbedeutend über die Zylindertemperatur ansteigt, und daß im wesentlichen
gleichbleibendes Spiel zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwandung im gesamten
Bereich der Betriebstemperaturen aufrechterhalten werden kann.
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In der vorstehenden Beschreibung ist gelegentlich auf einen Kolben
mit einem Aluminiumkopf und einem Stahlmantel Bezug genommen «-orden, doch können
auch beliebige andere Werkstoffe verwendet werden. Die Erfindung gibt ganz allgemein
eine Bauart für einen Kolben an, bei dem der Kopf und der Mantel aus Werkstoffen
von unterschiedlichem Wärmeausdehnungsvermögen bestehen. Ais andere Werkstoffe kommen
bei-' spielsweise in Betracht Aluminiumlegierungen, Magnesium und Magnesiumlegierungen
und andere.