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Kölben, vorzugsweise Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die
Erfindung bezieht sich auf Kolben, vorzugsweise Leichtmetallkälben für Brennkraftmaschinen
mit ovalgeschliffenem, von der Ringzone .durch Querschlitze ganz oder teilweise
getrenntem Laufmantel, dessen unter dem Einfluß der Betriebswärme erfol= gende Qnerschnittsverformung
durch zwischen den Bolzennaben oder ihren Abstützungen sich erstreckende Glieder
geregelt ist.
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Als Regelglieder sind senkrecht zur Bolzenachse verlaufende, zwischen
den Laufflächen sich erstreckende Streifen bekannt, die aus einem Werkstoff bestehen,
dessen Wärmedehnung kleiner ist als die des Kolbenwerkstoffes und die die Dehnung
der Laufflächen in Richtung senkrecht zur Bolzenachse hemmen und dadurch bewirken,
daß der Querschnitt des Schaftes in betriebswarmem Zustand etwä kreisförmig wird.
Damit derartige Streifen wirksam werden können, - ist es notwendig, sie aus besonders
hochwertigen Legierungen, z. B. aus h@ochnickelhältigem Eisen, herzustellen, was
deshalb nachteilig ist, weil Nickel sowie die anderen die Dehnung hemmenden Legierungszugaben
zu den seltenen und schwer beschaffbaren Metallen gehören. Außerdem wird durch die
Streifen das Gewicht der Kolben derartig -erhöht, daß deren Anwendung für manche
-Zwecke, z. B. für Flugmotoren!, unmöglich ist.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Regelglieder in Form von Verbindungsstäben
von Bolzenauge zu Bolzenauge vorzusehen, die nicht unbedingt aus einem Werkstoff
bestehen müssen, der schwerer ist als der Kolbenwerkstoff. Diese Stege sollen jedoch
die Verformung des Schaftes in Richtung der Bolzenachse hemmen und sind deshalb
nicht geeignet, die radiale Dehnung der Laufflächen zu vermindern, sondern werden
diese
im Gegenteil sogar mehr oder weniger steigern, da die Dehnung
des Schaftumfanges durch einen durchmesserartig angeordneten Steg natürlich nicht
gehemmt werden kann und deshalb der Werkstoff in der zum Steg senkrechten Richtung
ausweicht.
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Gemäß der Erfindung werden im Gegensatz dazu zwischen den Bolzen.naben
oder ihren Abstützungen Regelglieder angeordnet, die so ausgebildet sind, daß sie
bei ihrer durch die Betriebswärme bewirkten Ausdehnung auf die im Bereich der Naben
gelegenen Teile des Mantels einen Druck ausüben und dadurch die Dehnung des Mantels
in Richtung der Bolzenachse verstärken. Entsprechend dieser verstärkten Dehnung
werden dabei die Laufflächenteile relativ nach innen gezogen, so daß die beabsichtigte
Wirkung der Hemmung ihrer radialen Dehnung eintritt.
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Diese Regelglieder können einzeln oder paarweise neben oder übereinander
angeordnet sein und jede beliebige Form, z. B. die eines Stabes, eines Rahmens oder
einer hochkantstehend,en Platte, haben.
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Die größere Wärmeausdehnung der Regelglieder wird entweder durch einen
Baustoff mit größerer Dehnungszahl als der des Kolbenmantels erzielt oder durch
eire größere Wärmezufuhr, die durch Rippen oder Stege bewirkt sein kann, welche
sich vom Regelglied nach dem Kolbenboden erstrecken. Dabei kann als Regelglied ein
sich von Nabe zu Nabe erstreckender Steg Verwendung finden, der wie in Abb. 2 derartig
bogen- oder winkelförmig ausgebildet ist, daß durch den Druck der zum Boden führenden
Rippen eine Streckung und damit Vergrößerung der Gesamtlänge des bogenförmigen Steges
in der Grundlinie gemessen bewirkt wird. Selbstverständlich können auch beide Methoden
miteinander zur Anwendung gebracht werden.
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Wenn die Regelglieder aus einem anderen Werkstoff bestehen als _ der
Kolbenmantel, können, um eine ungünstige Mischung der Legierungen oder Metalle zu
vermeiden, besondere, z. B. kappenartige Teile dazwischen geschaltet werden.
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Will man die Regelglieder nicht eingießen oder einpressen, dann können
sie als längenverstellbare Druckschrauben o. dgl. ausgebildet und nachträglich in
Widerlager eingesetzt werden, die am Kolbenschaft oder an den Bolzenaugen angeordnet
sind.
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Die bogenförmigen Regelglieder können außerdem als Bimetallglieder
ausgebildet werden, die sich bei Erwärmung strecken, wobei es nicht unbedingt nötig
ist, daß sie miteinander und auf ihrer ganzen Länge verbunden sind, da die gewünschte
Wirkung auch erzielt wird, wenn nur die Enden Verbindung haben oder in Widerlagern
ruhen. Die zwischen den Bolzenaugen verlaufen-.den Teile des Mantels können außerdem
selbst als bimetallische Regelglieder_ ausgebildet sein.
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Die Verwendung bimetallischer Regelglieder, die sehnenartig ausgebildet
sein oder selbst Teile des Mantels bilden können, ist zwar an sich bekannt, jedoch
ist bei den bekannten Kolbenbauarten als zweites Metall für die Bimetallglieder
stets Eisen verwendet worden, so daß sich die oben geschilderten Nachteile ergeben.
Außerdem sind die bekanntgewordenen Bimetallglieder so angeordnet, daß sie die Dehnung
des Mantels in der Richtung Bolzenachse nicht verstärken.
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Außer für Leichtmetallkolben läßt sich die Erfindung selbstverständlich
auch für Grauguß oder Stahlkolben anwenden, da diese sich ebenfalls stärker ausdehnen
als der Zylinder. Für Flugmotorenkolben_ hat die Erfindung Bedeutung, weil es nun
möglich ist, auch deren Spiel zu verkleinern ohne auf schwere Stahlstreifen zurückgreifen
zu müssen.
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Durch den Verzicht auf Stahlstreifen., deren Wärmeleitfähigkeit kleiner
ist als die der Leichtmetallegierungen, wird ferner die Wärmeabfuhr verbessert,
so 'iaß der Kolben kühler bleibt und ohne sonstige konstruktive Änderungen gegebenenfalls
höhere Verdichtungsgrade angewendet werden können.
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In :der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Kolben gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt.
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Abb. i zeigt einen Kolben, bei dem zwischen dem Kopfteil i und dem
Schaft 2 zwei Querschlitze angeordnet sind und bei dem sich zwischen den Bolzenaugen
3 ein Steg d erstreckt. Dieser Steg d. besteht aus einem Werkstoff mit größerem
Wärmeausdehnungskoeffizienten als dem des Kolbenwerkstoffes, der bei Betriebswärme
auf die Naben drückt und daher die Dehnung des Schaftes in Richtung der Bolzenachse
verstärkt, was wegen des vorher entsprechend bemessener. Ovalschliffes unschädlich
ist. Andererseits werden aber durch diese verstärkte Dehnung die zwischen den Naben
gelegenen Laufmantelteile relativ nach innen gezogen, so daß deren radiale Dehnung
in erwünschter Weise gehemmt ist. Gestrichelt ist noch eingezeichnet, wie durch
eine Rippe j zwischen dem Kolbenboden i und dem Steg ,4 letzterem zusätzlich Wärme
zugeführt werden kann, so daß dessen Dehnung noch verstärkt und gleichzeitig eine
Kühlung des Kolbenbodens erreicht wird.
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Abb. 2 zeigt einen Kolben, bei dem Schaft 2 und Kopfteil i durch einen
ringsumgehenden j Schlitz getrennt sind. Der aus dem gleichen Werkstoff wie der
Kolbens bestehende Ver-
Bindungssteg 4 ist nach dem Kolbenboden
zu gekrümmt und durch eine Rippe 5 mit diesem verbunden. Die verstärkte Dehnung
erfolgt in diesem Fall hauptsächlich durch verstärkte Wärmezufuhr und wird durch
den Druck infolge der Dehnung der Rippe 5, die eine Streckung des Steges 4 verursacht,
noch verstärkt.
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Abb. 3 macht. deutlich, wie der Drucksteg 4 durch besondere Kappen
6 geschützt werden kann, damit der Steg 4 beim Eingießen nicht abbrennen oder ungünstige
Legierungen mit dem Kolbenwerkstoff eingehen kann.
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Abb. 4 zeigt einen Kolben mit nachträglich anbringbarem Regelglied,
das aus einer Mutter 7, einer Schraube 8 und einer Gegenmutter 9 besteht.
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Abb. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben mit bogenförmigen
Regelgliedern. Beim Beispiel nach Abb. 6 sind die bogenförmigen Regelglieder als
Bimetallstreifen ausgebildet, .die sich aus den Teilstreifen io und i i zusammensetzen,.
Dabei sind die Bimetallstreifen so angeordnet, daß sie sich bei Erwärmung strecken:
Abb. 7 zeigt einen Querschnitt durch einen Kolben, beidem die zwischen den Naben
sich erstreckenden Schaftteile zusammen mit an ihrer Innenseite anliegenden Streifen
12 aus einem Werkstoff mit größerer Wärmedehnung selbst bimetallische Regelglieder
bilden.