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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Ovale Leichtmetallkolben
für Brennkraftmaschinen, bei welchen sich quer zur Bolzenachse zwischen den Tragflächen
ein Paar Schwermetallstreifen erstrecken, deren Enden in die Mantelwandung eingegossen
sind, und bei welchen die an den Kolbenoberteil anschließenden Bolzennaben durch
Stege mit den Manteltragflächen einstückig verbunden sind, sind bekannt.
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Weiter ist bekannt, die Ausdehnung von Leichtmetallkolben bei Temperaturänderungen
dadurch zu regeln, daß in dem Kolbenmantel geteilte Metallringe von kleinerem Ausdehnungskoeffizienten
als demjenigen des Mantelbaustoffes so angeordnet werden, daß sie mit der Mantelwandung
einen Bimetallkörper bilden, der sich bei Erwärmung krümmt und eine Formänderung
des Mantels bewirkt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen-ovalen Leichtmetallkolben
der erwähnten Art, bei welchem sich quer zur Bolzenachse zwischen den Tragflächen
ein Paar Schwermetallstreifen erstrecken, deren Enden in die Mantelwandung eingegossen
sind, und bei welchem ,die an den Kolbenoberteil anschließenden Balz.ennaben durch
Stege mit den Manteltragflächen einstöckig verbunden sind. Erfindungsgemäß sind
die Stege auf die Außenflächen der Schivermetallstreifen aufgegossen, während die
Streifen innenseitig zwischen den Bolzenaugen und .den Manteltragflächen freie,
vom Kolbenwerkstoff nicht überdeckte Flächen haben und gemeinsam mit den Stegen
bei Erwärmung sich nach außen krümmende Bimetallkörper bilden. Weiter reicht nach
der Erfindung der aus Stahl bestehende Streifen mit seiner oberen und unteren Kante
über bzw. unter die Kolbenbolzennaben.
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In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigen Fig. i den Kolben in Seitenansicht, Fig. z einen Schnitt
nach Linie 2-z von Fig. i, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie io-io von Fig. i, Fig.
q. ein Diagramm, welches die Kolbenausdehnung erläutert, Fig. 5. einen Schnitt nach
Linie 5-5 von Fig. i, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie 6-6 von Fig. 5, Fig. 7 einen
Schnitt ähnlich wie Fig. 6 in anderer Ausführungsform und Fig. 8 einen Schnitt nach
Linie 8-8 von Fig. 7.
Nach der Ausführungsforte wird der bimetallische
Körper aus zwei Metallen gebildet, die ein ungleichesWärmeausdelinungsmaß besitzen,
wobei eines der beiden Metalle aus dem gleichen Baustoff' wie der Kolbenmantel besteht
und das andere Metall ein geringeres Wärmeausdehnungsmaß als das Kolbenmaterial
besitzt. Infolge der ungleichen Ausdehnungsmaße der beiden Teile v eranlaßt eine
Temperaturerhöhung den Bimetallkörper zu einer Biegung, die dazu benutzt wird, den
Kolbenmantel aus seiner ovalen Form, die er in kaltem Zustand besitzt, bei den normalerweise
im Betrieb auftretenden Temperaturen zu einer ungefähr zylindrischen Form zu biegen.
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Die 'Metallstreifen werden vor dem Gießen des Kolbens in die Form
gebracht, so daß das geschmolzene Aluminium um die Streifen herum und gegen sie
fließen kann, um die in den Figuren dargestellten Teile zu bilden. Daraus ergibt
sich, daß bei dem in den Figuren dargestellten Kolben jeder Streifen 16 seine Enden
in dem Aluminium verankert hat und eine feste Verbindung an den Bolzenaugen vorhanden
ist, um die seitliche Trennung von Streifen und Nabe zu verhindern.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. i bis 6 besitzt der Kolben einen
Boden io und einen Mantel i i, die beide aus einem geeigneten Baustoff von geringem
Gewicht, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt sind. Die Naben
12 für den Kolbenbolzen sind im Mantel gebildet, und die Verbindung zwischen dein
Boden und den Naben ist durch Rippen 13 verstärkt.
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Die in der Nähe des Durchmessers B (Fig. d.) rechtwinklig zur Achse
der Kolbenbolzennaben liegenden Teile des Mantels tragen die Hauptbelastung gegen
die Zylinderwandung, welche sich aus der Winkellage der Verbindungsstange ergibt.
Diese Teile, welche gewöhnlich als Druckflächen bezeichnet werden, tragen (las Bezugszeichen
14. Da diese Druckflächen die Belastung aufnehmen, ist der Durchmesser B der wichtige
Durchmesser, der bei allen Temperaturen genau in die Zylinderbohrung passen muß.
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Dem Mantel wird beispielsweise durch Schleifen eine ovale äußere Form
gegeben, wobei das Oval derart angeordnet wird, daß seine kleinere Achse A mit der
Achse der holbenbolzennaben zuzzammenfällt und daß seine größere Achse B rechtwinklig
zur Achse der Bolzennaben liegt, wie es in Fig. 4 durch die voll ausgezogene Linie
dargestellt ist. Das Oval besitzt zweckmäßig über die ganze Länge des :Mantels das
gleiche Ausmaß, d. h. der -Mantel läuft nicht von oben nach unten schräg zu. Die
den Bimetallkörper bildenden beiden Teile 16, 20 sind quer zu den Enden der Achse
A derart angeordnet, daß sie sich bei Temperaturerhöhung nach außen biegen, die
Bolzennaben nach außen führen und den Mantel zu der in Fig.4 mittels der strichpunktierten
Linie dargestellten zylindrischen Form biegen.
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Der Boden io ist gewöhnlicherweise der heißeste Teil des Kolbens und
dehnt sich daher mehr als der Mantel aus. Eine Berührung des Bodens mit der Zylinderwand
wird dadurch verhindert, daß man dem Boden ein genügendes Spiel gibt. Die Druckflächen
sind durch Schlitze 15 von dem Boden isoliert.
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Für die beiden bimetallischen Körper sind Schwermetallstreifen 16
vorgesehen, die sehnenartig sich erstreckende Platten darstellen; deren Enden in
den Druckflächen 14 verankert sind. Die Mantelwandung i i ist teilweise um jede
Bolzennabe weggeschnitten, wobei sich Rippen 20 des Mantelwerkstoffes längs der
Außenseite eines jeden Schwermetallstreifens erstrecken. In diesem Fall bilden die
Streifen 16 und die Rippen 20 die inneren bzw. äußeren Glieder der b1-metallischen
thermostatischen Körper. Diese Körper ergeben, wie vorher ausgeführt, ein einfaches
Biegen des Mantels aus seiner in kaltem Zustande ovalen Form in eine zylindrische
Form bei steigender Temperatur.
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Zum Zwecke der Verstärkung kann eine senkrechte Rippe 21 jede Bolzennabe
mit dem unteren Mantelring 22 verbinden, diese Rippe stört aber nicht das Biegen
des Mantels. Die Rippen 2o und 21 sollen Hitze vom Boden zum Mantel führen, von
wo sie auf die Zylinderwandung übertragen werden kann.
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Man kann auch gegebenenfalls ein Paar bogenförmiger Flanschen 23 benutzen,
um den unteren Teil 22 des Mantels zu verstärken.
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Bei der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der mittlere Teil
eines jeden Streifens 16 in eine Bolzennabe eingegossen. Die Streifen können völlig
frei von den Naben sein, wie es in Fig.7 und 8 dargestellt ist. Bei dieser Bauart
erstreckt sich der Streifen nur längs der inneren Nabenseite, seine Enden sind jedoch
im Mantel verankert. Ob der Streifen in die Naben eingegossen wird, hängt in jedem
besonderen Falle von der Länge der Naben und der für den Streifen bestimmten Lage
unter Berücksichtigung der Bauart der Verbindungsstange usw. ab.
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Gemäß Fig. 7 und 8 können auch gegebenenfalls Lappen 24 einwärts ragen
und durch Bohrungen 25 Verbindungen bilden, um die Streifen 16 dicht gegen die Rippen
20 zu halten. Diese Lappen verringern auch den
Betrag der thermostatischen
Biegung, da sie die wirksame Länge der bimetallischen Teile verkürzen.
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Es wurde erwähnt, daß der Durchmesser B der wichtige zu berücksichtigende
Durchmesser ist; die schematische Skizze Fig.4 zeigt, daß dieser Durchmesser gleichbleibt,
während der Kolben aufrundet. In der Praxis ist es wünschenswert, dem Durchmesser
B des Kolbens im wesentlichen das gleiche Ausdehnungsmaß zu geben, wie es die Zylinderbohrung
besitzt, so daß das Spiel zwischen den Enden des Durchmessers B und der Zylinderwandung
für alle Temperaturen im wesentlichen gleichbleibt. Dieses Ergebnis kann mit der
vorliegenden Erfindung durch eine richtige Zuordnung der ovalen Form des kalten
Kolbens und der Baustoffe und der Dimensionen der Glieder der bimetallischen Körper
erreicht werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Streifen 16
aus gewöhnlichem Stahl zu bilden und am Durchmesser B ein Ausdehnungsmaß zu erhalten,
das sogar noch geringer als .das von Gußeisen ist.
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Da der Durchmesser A sich schneller als der Zylinder ausdehnt, soll
der Kolben derart bearbeitet oder geschliffen werden, daß dieser Durchmesser selbst
der übermäßig hohen Temperaturen niemals mehr als eine sehr leichte Berührung mit
der Zylinderwandung besitzt. Daher soll ,der Kolben bei normalen Betriebstemperaturen
nur eine ungefähre zylindrische Form erreichen, obgleich die Form bei diesen Temperaturen
der zylindrischen Form so nahe kommen soll, wie es der Sicherheitsgrad gestattet.
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Nach Anlassen eines mit diesem Kolben ausgestatteten kalten Motors
"wird kein Klopfen auftreten, da sich an den Enden des Durchmessers B nur ein kleines
Spiel befindet.
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Bei den zweckmäßigen Ausführungsformen wird kein senkrechter Mantelschlitz
benutzt. Der ungeschlitzte Mantel besitzt einen größeren Widerstand gegen eine Abbiegung
unter Seitendruck und gegen ein Schwingen in der Bohrung. Die vergrößerte. Festigkeit
des Kolbens ergibt eine bessere Wirtschaftlichkeit im Ölverbrauch bei hohen Maschinengeschwindigkeiten
und gestattet den Ringen, richtig zu arbeiten, ohne sich übermäßig abzunutzen.