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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Leichtmetallkolben für
Brennkräftmaschinen, bei denen zwei vom Kolbenkopf getrennte Gleitflächen sich gegenüberliegen,
die an den unmittelbar mit dem Kopf verbundenen Bolzenträgern durch Stege verbunden
sind, die als bimetallische Körper ausgebildet sind, sind an sich bekannt. Es ist
auch bekannt, Platten aus einem Baustoff geringerer Ausdehnungsfähigkeit an den
Stegen eines Leichtmetallkolbens anzuordnen und .eine Schlitzung des Mantels, bogenförmige
Verbindungsteile und gebogene Tragflächen am Kolben vorzusehen. -D,emgegenüber besteht
die vorliegende Erfindung darin, däß auf mindestens zwei oder auf allen vier Stegen
je eine Metallplatte von geringer Wärmedehnung angeordnet ist, die sich von der
Bolzennabe bis an die Mantelwand erstreckt, insbesondere in der Form, daß die Platten
etwa von derselben Breite wie die Stege sind. Gegenüber den bekannten Anordnungen
mit bimetallischen Gliedern, bei welchen sich eine längere Platte von einer Druckfläche
des Kolbens zu der anderen erstreckt und mit den -Stegen ein einziges bimetallisches
Glied bildet; liegt ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß
für das bimetallische Glied infolge Verwendung kleinerer Platten weniger Stahl gebraucht
wird und damit der ganz aus Aluminium bestehende Kolben leichter wixd.
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Die Erfindung ist im nachfolgenden in einer beispielsweisen Ausführungsform
beschrieben; aber es ist selbstverständlich, daß verschiedene Änderungen vorgenommen
werden können, ohne sich von dem eigentlichen Erfindungsgedanken zu entfernen.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. i den Kolben in schaubildlicher Darstellung,
Fig.2 einen Aufriß des Kolbens nach Fig. i teilweise im Schnitt.
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Fig.3 ist ein Schnitt nach Linie 3-3 von Fig. 2.
Fig.
4. ist ein Schnitt nach Linie 4-q. von Fig. 3.
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Fig. 5 zeigt in schaubildlicher Darstellung eines der im Kolben nach
Fig. i bis q. nutzten Einsatzstücke.
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Fig.6 zeigt in vergrößertem Schnitt sche@@'@', matisch die durch die
-Hitze bewirkten Versänderungen.
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Fig. 7 entspricht in abgeänderter Form der Fig. 3.
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Fig.8 zeigt schaubildlich eines der nach Fig. 7 benutzten Einsatzstücke.
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Fig.9 ist ein Schnitt nach Linie 9-9 von Fig. 7. -Fig. i o entspricht
in abgeänderter Form der Fig.3.
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Fig. i i ist ein Schnitt nach Linie i i-i i der Fig. i o.
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Fig. i2 ist ein Querschnitt nach einer anderen Ausführungsform.
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Fig. 13 ist ein Schnitt nach -Linie 13-13 von Fig.3.
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Der Kolben umfaßt einen -Kopf io, einen Mantel i i und Kolbenbolzennaben
12, wobei die Kraftübertragung zwischen dem Kopf und den Naben durch Stützen 13
erfolgt. In waagerechtem Querschnitt ist jede Stütze 13 von annähernd U-förmiger
Gestalt und umfaßt einen äußeren Steg 1q., der die Seitenrippen 15 und eine Mittelrippe
16 mit der äußeren- Begrenzung der Bolzennaben in Verbindung bringt.
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Der Mantel hat gekrümmte Wände 17, die die Tragflächen 18 und i9 stützen.
Die seitlichen Kanten der Flächen 18 und 19 sind durch gekrümmte Linien 2o begrenzt,
welche die Tragflächen von ausgesparten, d. h. vom normalen Umfang des Mantels zurückgesetzten
Flächen :.i trennen.
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Flache Stege 22 verbinden die seitlichen Kanten der gekrümmten Druckwände
17 mit dem Kopf, den Stützen 13 und den Kolbenbolzennaben i2. Die Stege 22 sind
ziemlich breit und in der Zeichnung im wesentlichen so breit wie der äußere Durchmesser
der Bolzennäben dargestellt. Kurze Versteifungsrippen 23 erstrecken sich nach außen
von dem unteren Teil jeder Bolzennabe auf die Tragfläche 18 zu.
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Gekrümmte Rippen 2q. verbinden die unteren Enden der Wände 17 und
bilden mit den Wänden 17 einen fast vollständigen Kreisring am unteren Ende des
Mantels. Jede Rippe 24 ist von der entsprechenden Bolzennabe durch eine Öffnung
25 getrennt, welche zur Fläche i9 hin breiter und länger ist als zur Fläche 18 hin.
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Jede Druckwand ist von dem Kopf durch einen Schlitz 26 getrennt; ein
weiterer Schlitz 27 erstreckt sich über die Tragfläche 18 in im wesentlichen vertikaler
Richtung. Alle bisher beschriebenen Teile sind vorzugsweise aus geeignetem Leichtmetälf
geformt, wie z. B. einer Aluminiumlegierung.
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Die Arbeitsweise des Kolbens wird dadurch =#erbessert, daß man ihn
mit Metallplatten eusstattet, welche mit Teilen des Kolbens zusammenwirkend bimetallische
Glieder bilden. Diese Platten bestehen z. B. aus einfacheln Stahl, der einen niedrigeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der die anderen Teile des Kolbens bildende
Baustoff.
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In dem in Fig. i bis 5 dargestellten Kolben sind die Teile
28 rechteckige, aus Blattstahl geschnittene Platten, die je zwei öffnungen
29 und an der senkrechten Kante entlang durch.Aussparungen 3 i getrennte Zungen
3o besitzen (Abb.5).
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Dieser Kolben ist zweckmäßig in Metallformen gegossen. Hierbei werden
die Platten in die Form eingesetzt, indem man ihre öffnungen 29 über auf den Formkernen
getragenen Bolzen hakt, bevor die Formkerne in die Form eingesetzt werden. In dem
Formkörper befestigte Bolzen pressen die Einsatzstücke fest gegen die Formkerne
und hinterlassen in den Stegen 22 des fertigen Gusses Öffnungen 32. Wenn das geschmolzene
Kolbenmetall in die Form gegossen wird, umfließt es die Nasen 3o, wodurch diese
an einem Ende des Einsatzstückes teilweise in die innere Wand eines der gekrümmten
Teile 17 gelagert werden, während diejenigen am äußeren Ende des Einsatzstückes
zum Teil in eine der Bolzennaben gelagert werden.
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Das Einbetten der Enden dieser Platten soll sie lediglich in ihrer
Lage halten. Die Nasen 3o sind nur vorgesehen, um die Dicke des Mantelbaustoffes-
gegenüber den Aus= sparungen 31 zu verstärken, wie es in dem unteren Teil der Fig.
q. gezeigt ist.
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Der Kopf des Kolbens wird genügend kleiner gemacht als der Mantel,
um zu jeder Zeit eine Berührung mit der Zylinderwand zu verhindern; der Mantel erhält
eine ovale äußere Form, wobei die kleinere Achse A-B des Ovals mit der Achse der
Kolbenbolzenöffnungen zusammenfällt und die größere Achse C-D im rechten Winkel
dazu liegt. Der Kolben ist in den Zylinder unter Berücksichtigung eines zweckmäßigen
Spielraums an den Enden der Ache C-D eingepaßt, während an den Enden der Ache A-B
ein übermäßiger Spielraum gelassen ist (Abb. 6).
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Es sind genaue Ausdehnungsversuche mit diesen Kolben durch Erhitzen
von Mustern in einem elektrischen Ofen und durch Messen der Größenveränderung an
verschiedenen Stellen am Mantel gemacht worden. Durch dieses Verfahren hat man festgestellt,
daß
bei einem Anwachsen der Kolbentemperatur die Teile die in den
gestrichelten Linien der Fig.6 gezeichneten Bewegungen ausführen, welche, wie man
annimmt, folgendermaßen entstehen Wenn nach dem Guß des Kolbens die Metalle abkühlen,
zieht sich das Aluminium der Stege 22 schneller zusammen als der Stahl der .Platte
28 infolge des größeren Koeffizienten der Wärmedehnung des Aluminiums. Das Ergebnis
ist, daß bei Zimmertemperaturen ein Steg 22 und die entsprechende Platte 28 ein
bimetallisches Glied bilden, bei welchem der Aluminiumsteg sich unter Spannung befindet
und das Glied mit seiner konvexen Seite gegen- das Innere des Kolbens zu gebogen
wird, wie die voll ausgezogenen Linien der Fig.6 zeigen. Wenn der Kolben darauf
erJiitzt wird; schwächt sich die Spannung in dem Aluminium ab, wodurch das Glied
seine flache Gestalt wieder annimmt. . Dier Kopf als ,der heißeste Teil des Kolbens
bei laufender Maschine dehnt sich schneller aus als der Mantel,, und da die Naben
fest durch einen Steg mit dem Kopf in Verbindung stehen, werden sie durch die Ausdehnung
des Kopfes nach außen getragen.
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Die zwischen den Bolzennaben und den geschlitzten Tragflächen 18 gelegenen
bimetallischen Glieder verbinden sich mit der Hälfte dieser Tragfläche, um die in
Fig.6 im Querschnitt von L-förmiger Gestalt gezeigten Teile zu bilden. Das obere
Ende jedes dieser bimetallischen Glieder ist starr mit seiner entsprechenden Bolzennabe
verbunden, und daher neigt das Steigen der Temperatur, welches den Steg 22 ausdehnt,
dazu, den L-förmigen Teil um den Verbindungspunkt seiner beiden Schenkel zu drehen
und gleichzeitig das untere Ende des Uförmigen Teils gegen die Mittellinie C-DI
zu bringen. Hierdurch wird die Größe des Mantels bei Linie C-Di und die Breite
des Schlitzes 27 unabhängig von irgendeinem Druck des Mantels. gegen die Zylinderwand
verringert.
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Die bimetallischen Teile zwischen den Bolzennaben und den Tragflächen
i9 bilden sozusagen auch L-förmige Teile, welche dazu neigen, sich um ihren Scheitelpunkt
zudrehen und die der Linie C-Di benachbarten Teile des Mantels nach innen zu tragen.
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In dem in Fig. i bis q. dargestellten Kolben ist der Mantel an der
geschlitzten Seite infolge des Vorhandenseins der Rippen 23 und der verringerten
Ausdehnung der Öffnungen 25 versteift, mit dem Ergebnis; daß die .Innenbiegung,
auf der Druckfläche 18 im wesentlichen der auf der Tragfläche i 9 gleicht.
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Man hat festgestellt, daß- bei dieseln Kolben die Ausdehnung auf dem
Durchmesser A-B geringer. ist, als sie dem Anteil des Aluminiums entspricht, was
wahrscheinlich von der Wirkung der bimetallischen Glieder beim Schließen des Schlitzes
27 herrührt.
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Bemerkenswert ist, daß in diesem Kolben die bimetallischen- Glieder
von dem Umkreis des Mantels abgerückt sind .mit Ausnahme ihrer äußeren Enden und
daher ihre Biegung keine örtliche Umbildung in den Teilen der Mantelwandung hervorruft,
welche mit dem Zylinder in Berührung stehen,, sondern eine gleichmäßige Biegung
des Mantels verursacht, wie in Fig.6 schematisch- dargestellt.
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Die Stärke.-der in dem Mantel hervorgerufenen Ausgleichsbiegung kann
durch eine Änderung der Länge der Platten verändert werden, denn je kürzer die Platten
sind, desto geringere Biegungswirkung tritt ein, vorausgesetzt, daß der übrige Kolben
unverändert bleibt. Die Stärke der Biegung kann auch dadurch verändern werden, daß
man die Platten aus Baustoffen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten macht.
In manchen Kolbenarten ist es zweckmäßig, sehr kurze Platten zu verwenden und die
Kürze der Platten dadurch auszugleichen, daß man.sie auseinem Baustoff macht,_
der sich weniger ausdehnt als gewöhnlicher Stahl, z. B. Nickelstahl.
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Die Stärke der Biegung kann auch dadurch geändert werden, daß man
die Quer= schnittsgröße der Stege 22 im Verhältnis. zu den Platten verändert. Wenn
also die Stege 22 in bezug auf die Platten schwächer sind, werden sie ein geringeres
Biegen der Platten verursachen und infolgedessen ein geringeres Biegen des Mantels.
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Weiter ist zu bemerken, daß die gestrichelten Linien der Fig.6 ganz
allgemeinound in übertrieben großem Maßstab die Bewegungen der Teile zeigen. In
einem Kolben von ungefähr 76 mm Höhe belaufen sich diese Bewegungen nur auf tausendstel
Teile dieses Maßes.
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In den Fig.7 bis 9 ist eine abgeänderte Form der Platten 33 wiedergegeben,
welche eine Öffnung 36 `in Gestalt eines Schlüssellochs gegen eine Seite des Einsatzstückes
zu vorsieht. Diese Öffnung paßt stramm über einen Bolzen, der durch den Formkern
getragen wird, um das Einsatzstück in der Form zu halten.
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Wie schon erwähnt, ist der einzige Grund für die Befestigung der Platten
am Kolben, sie in ihrer Lage zu halten; sie können dabei in jeder zweckmäßigen Weise
gehalten werden. So sind z. B. in der in Fig. io und i i dargestellten Bauweise
die kurzen Platten 37 an den Stegen 22- durch aus dem Stegbaustoff gebildete Knöpfe
38 festgemacht, die
durch Öffnungen der Einsatzstücke gehen. Die
Platten haben gerade, senkrechte Kanten mit verbreiteten Fußteilen 39, -von welchen
eine nur gegen eine auf dem Steg 22 gebildete Schulter stößt, während die andere
gegen die Mantelwand stößt. Diese Anordnung der Teile ist durch die Schrumpfungseigenschaft
der bimetallischen Glieder, wie oben erklärt, ermöglicht. Diese Figuren zeigen auch,
daß die Stege 22 sich nicht im rechten Winkel zu der Achse der Bolzennaben erstrecken
müssen, sondern im Winkel dazu angeordnet sein können. -Fig. 12 zeigt eine abgeänderte
Bauweise, bei welcher bimetallische Glieder sich von den Bolzennaben gegen die Tragfläche
18 zu erstrecken, auf der anderen Seite des Kolbens jedoch nicht vorhanden sind.
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Anstatt gänzlich durch die Tragfläche zu gehen, kann ein Schlitz sich
auch teilweise in eine Tragfläche hinunter oder hinauf erstrecken.
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In allen wiedergegebenen Bauarten sind die Platten in ihrer senkrechten
Ausdehnung ein wenig schmaler dargestellt als die Stege 22. Obwohl dieses die bevorzugte
Anordnung ist, braucht an ihr nicht festgehalten zu werden.