DE7602960U1

DE7602960U1 - PISTONS FOR COMBUSTION ENGINES

Info

Publication number: DE7602960U1
Application number: DE7602960U
Authority: DE
Original assignee: Perkins Engines Ltd
Current assignee: Perkins Ltd
Priority date: 1975-02-04
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1976-08-26
Also published as: FR2300221A1; GB1508611A; DE2604038A1; JPS5199720A; ES444912A1

Description

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(NEBEK DEM DEUTSCHEN PATENTAMT)(NEBEK THE GERMAN PATENT OFFICE)

12. Mai 1976May 12, 1976

PERKINS ENGINES LIMITEDPERKINS ENGINES LIMITED

1G-35971G-3597

Beschreibung zu der Gebrauchsmusteranmeldung betreffendDescription of the utility model application

Pistons for internal combustion engines

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.The invention relates to pistons for internal combustion engines.

Bekanntlich führen die hohen Temperaturen, die im Boden der Kolben von Verbrennungskraftmaschinen während des Betriebs herrschen, dazu, daß der Kolbenboden einer im wesentlichen gleichmäßigen Druckbeanspruchung ausgesetzt wird, die ein Durchbiegen des mittleren Teils des Kolbenbodens nach oben zur Folge hat. Ferner erzeugt bei einem Kolben, der durch einen Kolbenbolzen unterstützt wird, der Gasdruck, von dem angenommen wird, daß er gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens wirkt, in dem Kolbenboden ein nach unten gerichtetes Biegemoment und eine Druckspannung längs der Achse des Kolbenbolzens sowie ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Biegemoment und eine entsprechende Zugspannung längs einer quer zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Linie.It is well known that the high temperatures that occur in the bottom of the pistons of internal combustion engines during operation prevail, to the fact that the piston head is subjected to a substantially uniform compressive stress, which a Bending of the central part of the piston crown results in upward. Also generated in a piston that by a piston pin is supported, the gas pressure, which is believed to be uniform over the entire area of the piston head acts, in the piston head a downward bending moment and a compressive stress along the Axis of the piston pin as well as a bending moment acting in the opposite direction and a corresponding tensile stress along a line running transversely to the piston pin axis.

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Diese Erscheinungen lassen sich beim Betrieb eines Hubkolbenmotors bekannter Art nicht vermeiden. Insbesondere bei Kolben, bei denen der Kolbenboden mit einer eine Brennkammer bildenden Vertiefung versehen ist, können diese Beanspruchungen zu einer Beschädigung des Kolbens führen. Besonders dann, wenn die die Brennkammer bildende Vertiefung mit einer überhängenden Lippe versehen ist, besteht die Gefahr, daß die auf die thermische Beanspruchung und die Gaskräfte zurückzuführenden Druckspannungen insgesamt bewirken, daß das Metall des Kolbenbodens und/oder der genannten Lippe nachgibt, sobald der Kolben heiß wird, und daß das Metall infolge der auf thermischem Wege hervorgerufenen Zugspannung aufreißt, wenn sich der Kolben abkühlt.These phenomena can be observed when operating a reciprocating piston engine known type do not avoid. Especially with pistons in which the piston crown has a combustion chamber forming recess is provided, these stresses can lead to damage to the piston. Especially then, if the recess forming the combustion chamber is provided with an overhanging lip, there is a risk that the The total compressive stresses due to the thermal stress and the gas forces cause the metal of the piston crown and / or said lip yields as soon as the piston becomes hot, and that the metal as a result of thermally induced tensile stress ruptures when the piston cools down.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, bei dem das Entstehen solcher Risse durch entsprechende Maßnahmen vermieden wird.The invention is based on the object of creating a piston for internal combustion engines in which the occurrence such cracks can be avoided by taking appropriate measures.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Kolben geschaffen worden, der einen Kolbenboden aufweist, ferner einen sich daran anschließenden Kolbenmantel, ein erstes Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der einen Seite des Kolbens verbunden ist, sowie ein zweites Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der entgegengesetzten Seite-des Kolbens verbunden ist, und bei dem Verstärkungsabschnitte vorhanden sind, die mit dem Kolbenmantel verbunden sind, in ihn übergehen und die eine Seite des Kolbens mit der anderen Seite verbinden.In order to achieve this object, a piston has been created by the invention, which has a piston head, furthermore an adjoining piston skirt, a first piston pin boss that connects to the piston crown on one side of the piston is connected, as well as a second piston pin boss, which is connected to the piston head on the opposite side of the piston, and which has reinforcing sections that are connected to the piston skirt, merge into it and one side of the piston with the other side associate.

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Hierbei ist der Kolbenboden vorzugsweise mit einer Brennkammer versehen, die eine überhängende Lippe aufweist, und ferner ist jede der genannten Verstärkungen vorzugsweise mit dem Kolbenmantel zusammenhängend so ausgebildet, daß sie sich von dem ersten Kolbenbolzenauge zu dem zweiten Kolbenbolzenauge erstreckt.Here, the piston head is preferably provided with a combustion chamber which has an overhanging lip, and furthermore each of the reinforcements mentioned is preferably designed to be coherent with the piston skirt so that it extends from the first piston pin boss extends to the second piston pin boss.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schernatischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:The invention and advantageous details of the invention are illustrated below with reference to schematic drawings of a Embodiment explained in more detail. It shows:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben längs der Linie I-I in Fig. 2;Fig. 1 is a section through a piston along the line I-I in Fig. 2;

Fig. 2 die Draufsicht des Kolbens nach Fig. 1 bei Betrachtung desselben in Richtung des Pfeils II in Fig. 3;FIG. 2 shows the top view of the piston according to FIG. 1 when viewed in the direction of arrow II in FIG. 3;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 1 und 2 längs der Linie III-III in Fig. 2;3 shows a section through the piston according to FIGS. 1 and 2 along the line III-III in FIG. 2;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Kolbens längs der Linie IV-IV in Fig. 6;4 shows a section through a second embodiment of a Piston along the line IV-IV in Fig. 6;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 längs der Linie V-V in Fig. 4j undFig. 5 is a section through the piston of FIG. 4 along the Line V-V in Figures 4j and

Fig. 6 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 und 5 längs der Linie VI-VI in Fig. 5.6 shows a section through the piston according to FIGS. 4 and 5 along the line VI-VI in FIG. 5.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 dargestellt, zu dem ein Kolbenboden 2 gehört, der eine Brennkammer 3 mit einer überhängenden Lippe 4 aufweist. An den Kolbe.^lKoden 2 schließt sich ein1 shows a piston 1 to which a piston head 2 belongs, which has a combustion chamber 3 with an overhanging lip 4. To the piston. ^lK oden 2 includes itself

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Kolbenmantel 5 an, an dem ein erstes Kolbenbolzenauge 6 und ein zweites Kolbenbolzenauge 7 ausgebildet sind, welche zügig sowohl in den Kolbenmantel 5 als auch in den Kolbenboden 2 übergehen. Die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 weisen Bohrungen 6a und 7a auf, die sich längs einer gemeinsamen Achse 10 erstrecken. Piston skirt 5 on which a first piston pin boss 6 and a second piston pin boss 7 are formed, which quickly merge into the piston skirt 5 as well as into the piston crown 2. The piston pin bosses 6 and 7 have bores 6a and 7a, which extend along a common axis 10.

In Fig. 2 sind z\^ei Achsen x-x und y-y eingezeichnet, und die Pfeile S-, und S„ geben die Richtung der Spannungen an, die an den Punkten X und Y bei einer Temperaturerhöhung bzw. als Folge des Gasdrucks auftreten. Die Pfeile S- sind an beiden Punkten X und Y auf der Lippe 4 aufeinander zu gerichtet und bezeichnen die Druckspannungen, die an diesen Punkten vorhanden sind, wenn der Kolben heiß ist., An dem Punkt X sind die Pfeile S„ aufeinander zu gerichtet, und sie bezeichnen die Druckspannungen, die auftreten, wenn der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird. An diesem Punkt treten Druckspannungen auf, da die Gaskräfte von den durch einen Querabstand getrennten Kolbenbolzenaugen 6 und 7 aufgenommen werden, so daß ein Biegemoment auftritt, das bestrebt ist, den Kolbenboden nach unten durchzubiegen, wie es in Fig. 1 mit den Pfeilen M_G angedeutet ist. An dem Punkt Y sind die Pfeile S„ voneinander weg gerichtet, und sie stellen Zugspannungen dar, die auftreten, sobald der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird. An diesem Punkt treten Zugspannungen deshalb auf, weil die Kolbenbolzenaugen als Widerlager zur Wirkung kommen, so daß ein entgegengesetzt gerichtetes Biegemoment entsteht.·In FIG. 2, axes xx and yy are drawn in, and the arrows S- and S "indicate the direction of the stresses which occur at points X and Y when the temperature increases or as a result of the gas pressure. The arrows S- are directed towards each other at both points X and Y on the lip 4 and indicate the compressive stresses that are present at these points when the piston is hot. At the point X the arrows S "are directed towards one another, and they denote the compressive stresses that occur when the piston is stressed by gas forces. At this point compressive stresses occur because the gas forces are absorbed by the piston pin bosses 6 and 7, which are separated by a transverse distance, so that a bending moment occurs which tends to deflect the piston crown downwards, as shown in FIG. 1 by the arrows M _G is indicated. At the point Y, the arrows S " are directed away from each other, and they represent tensile stresses which occur as soon as the piston is stressed by gas forces. At this point tensile stress occurs because the piston pin boss acts as an abutment, so that an oppositely directed bending moment arises.

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Da an dem Punkt Y eine Zugspannung S_G und, eine Druckspannung S_T auftreten, verringert sich an dieser Stelle die Größe der resultierenden Druckspannung, während sich an dem Punkt X die Spannungen S_Q und S™ addieren.Since a tensile stress S _G and a compressive stress S _T occur at point Y, the magnitude of the resulting compressive stress decreases at this point, while at point X the stresses S _Q and S ™ add up.

Gemäß der Erfindung wird die Spannung S_Q an dem Punkt X dadurch verringert, daß die Steifigkeit des Kolbens erhöht wird. Zu diesem Zweck werden zwei Verstärkungsrippen 8 und 9 an die Innenfläche des Kolbenmantels 5 angegossen, die so geformt sind, daß die Enden beider Rippen in die benachbarten Kolbenbolzenaugen 6 und 7 übergehen. Diese Verstärkungsrippen kommen als Zugglieder zur Wirkung, um die betreffenden voneinander abgewandten Seiten des Kolbenmantels 5 zusammenzuhalten und hierdurch die Druckspannungen zu verringern, welche längs der ganzen Achse x-x und insbesondere an dem gefährdeten Punkt X auf der Lippe 4 auftreten.According to the invention, the stress S _Q at the point X is reduced by increasing the rigidity of the piston. For this purpose, two reinforcing ribs 8 and 9 are cast onto the inner surface of the piston skirt 5, which are shaped so that the ends of both ribs merge into the adjacent piston pin bosses 6 and 7. These reinforcing ribs act as tension members to hold the respective opposite sides of the piston skirt 5 together and thereby reduce the compressive stresses which occur along the entire axis xx and in particular at the endangered point X on the lip 4.

In Fig. 3 ist die bevorzugte Anordnung der VerstärKungsrippen 8 und 9 mit Vollinien dargestellt, und bei 8a, 9a sowie bei 8b, 9b sind weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Verstärkungsrippen mit gestrichelten Linien angedeutet. Sollen die Verstärkungsrippen 8 und 9 tiefer liegen als die Kolbenbolzenaugen 6 und 7, kann man sie so ausbilden, daß ihre Enden ineinander übergehen, und daß sie eine endlose ringförmige Rippe bilden.In Fig. 3, the preferred arrangement of the reinforcing ribs 8 and 9 is shown with solid lines, and at 8a, 9a and at 8b, 9b are further possibilities for the arrangement of the reinforcement ribs indicated with dashed lines. Should the Reinforcing ribs 8 and 9 are lower than the piston pin bosses 6 and 7, they can be designed so that their ends interlock pass over, and that they form an endless annular rib.

Es ist ersichtlich, daß es sich bei den Rippen 8 und 9 um Zugglieder handelt, durch welche bei einer Beanspruchung des Kolbens die voneinander abgevandten Teile des Kolbenmantels 5It can be seen that the ribs 8 and 9 are tension members through which, when the Piston the parts of the piston skirt 5 facing away from one another

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so zusammengehalten werden, daß ihre Flexibilität eingeschränkt wird.be held together in such a way that their flexibility is limited.

In Fig. 4, 5 @d 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.In Fig. 4, 5 @d 6 is a further embodiment of the invention shown.

Gemäß Fig. 4 weist der dargestellte Kolben 1 sämtliche vorstehend anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen Merkmale 2 bis 7 auf, und er ist außerdem nahe dem unteren Ende des Kolbenmantels 5 mit einer unteren Kolbenringnut 20 versehen. Die kreuzweise schraffierten Flächenteile bezeichnen die gedachte Anordnung von die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 miteinander verbindenden Verstärkungsabschnitten 21 und 22. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind durch Übergangsabschnitte 23 und mit dem Kolbenmantel 5 verbunden. Weitere Übergangsabschnitte 25 und 26 verbinden die kreuzweise schraffierten Bereiche und 22 mit der Unterseite des Kolbenbodens 2, so daß gemäß Fig. 4 eine gleichmäßig gekrümmte Wölbung 28 vorhanden ist. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 liegen auf gleicher Höhe mit der Achse 10 der Bohrungen 6a und 7a der Kolbenbolzenaugen 6 und 7, und die Wölbung 28 endet auf einem etwas tieferen Niveau. Gemäß Fig. 4 kann man den unteren Teil der Wölbung 28 so ausbilden, daß ihre Wände gegen eine senkrechte Achse jeweils um einen kleinen Winkel von z.B. 2° nach außen geneigt sind, damit sich der Kolben nach dem Gießen leicht der Gießform entnehmen läßt. Fig. 5 zeigt, daß die inneren Stirnflächen 30 und 31 der Kolbenbolzenaugen 6 und 7 nach oben aufeinander zu geneigt sind, um das zugehörige, hier nicht dargestellte obere Ende einer Pleuelstange aufnehmen zu können.According to FIG. 4, the illustrated piston 1 has all of the features 2 to 3 described above with reference to FIGS. 1 to 3 7, and it is also provided with a lower piston ring groove 20 near the lower end of the piston skirt 5. the Cross-hatched areas denote the imaginary arrangement of the piston pin bosses 6 and 7 connecting with one another Reinforcing sections 21 and 22. The reinforcing sections 21 and 22 are formed by transition sections 23 and connected to the piston skirt 5. Further transition sections 25 and 26 connect the cross-hatched areas and 22 with the underside of the piston head 2, so that, according to FIG. 4, a uniformly curved curvature 28 is present. The reinforcement sections 21 and 22 are at the same height as the axis 10 of the bores 6a and 7a of the piston pin bosses 6 and 7, and the bulge 28 ends at a slightly lower level. According to Fig. 4 you can see the lower part of the arch 28 so that their walls are inclined outwards by a small angle of e.g. 2 ° with respect to a vertical axis so that the piston can be easily removed from the mold after casting. Fig. 5 shows that the inner end faces 30 and 31 of the piston pin bosses 6 and 7 are inclined upwards towards one another to the associated, not shown here to be able to accommodate the upper end of a connecting rod.

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Die Vor- und Nachteile dieser Konstruktion sind bekannt. Einer ihrer Vorteile besteht darin, daß die Druckspannung S_Q, die durch die Wirkung der Gaskräfte an dem Punkt X nach Fig. hervorgerufen wird, verkleinert wird. Gemäß Fig. 5 ist der Kolben 1 mit eingebohrten Ölkanälen 33 und 34 versehen, die jeweils in einer solchen Höhe angeordnet sind, daß sie die Olabstreifringnuten 36 und 20 mit dem Innenraum des Kolbens« verbinden.The advantages and disadvantages of this design are known. One of its advantages is that the compressive stress S _Q , which is caused by the action of the gas forces at the point X in FIG. 1, is reduced. According to FIG. 5, the piston 1 is provided with drilled oil channels 33 and 34 which are each arranged at such a height that they connect the oil scraper ring grooves 36 and 20 to the interior of the piston.

Fig. 6 läßt die erfindungsgemäße Gestaltung des Kolbens deutlicher erkennen. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind in Fig. 6 im Schnitt dargestellt; man kann sie als Zugglieder betrachten, die dem unteren Teil des Kolbens 1 zugeordnet sind und dazu dienen, einem Zusammenfallen des mittleren Teils des Kolbenbodens 2 entgegenzuwirken.6 shows the design of the piston according to the invention more clearly recognize. The reinforcement sections 21 and 22 are shown in section in FIG. 6; you can use them as tension members consider, which are associated with the lower part of the piston 1 and serve to collapse the central part counteract the piston crown 2.

Im Vergleich zu dem Kolben nach Fig. 1 weist der Kolben nach Fig. 4 ein kostensparendes Merkmal auf, das darin besteht, daß auf der Innenseite des Kolbens keine Hinterschneidungen vorhanden sind, so daß sich der Kolben mit geringerem Kostenaufwand gießen läßt. Das Fehlen solcher Hinterschneidungen ermöglicht es außerdem, den Kolben unter Benutzung eines Werkzeugs zu schmieden, dessen Form der Innenform des Kolbens entspricht. Der Kolben nach Fig. 1 bedingt zwar einen höheren Kostenaufwand, da er nur unter Benutzung von Kernen gegossen werden kann, doch handelt es sich hierbei um einen Kolben von besonders hoher Festigkeit.Compared to the piston according to FIG. 1, the piston according to FIG. 4 has a cost-saving feature which consists in that there are no undercuts on the inside of the piston, so that the piston is less expensive lets pour. The lack of such undercuts also makes it possible to pull the piston using a tool to forge, the shape of which corresponds to the internal shape of the piston. The piston according to FIG. 1 requires a higher one Costly, as it can only be cast using cores, but this is a piston from particularly high strength.

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Bei dom Kolben nach Fig. 1 brauchen die Rippen 8 und 9 nicht ■über ihre ganze Länge mit dem Kolbenmantel 5 verbunden zu sein, sondern sie können lediglich an ihren Enden mit dem Kolbenmantel zusammenhängen bzw. daran angebracht sein»With dom piston according to Fig. 1, the ribs 8 and 9 do not need ■ connected to the piston skirt 5 over its entire length but they can only be connected to the piston skirt at their ends related to or attached to it »

Wenn die Vertiefung 3 des Kolbenhodens 2 mit einer zusätzlichen Einrichtung, z.B. einem Einsatzstück 40, versehen ist, kann immer noch die Gefahr bestehen, daß Risse in einem gewissen Abstand vom Rand der Brennkammer entstehen, und auch für diesen Fall bietet die Erfindung die Möglichkeit,, hier in einem gewissen Ausmaß für Abhilfe zu sorgen. Dies geht aus Fig. 1 hervor, wo auf der linken Seite ein Einsatzstück 40 aus einem anderen Werkstoff dargestellt ist. Bei einer solchen Konstruktion können die Spannungen, die an dem Punkt Z auftreten, welcher dem Rand des Kolbenbodens 2 näher benachbart ist als der Punkt X, immer noch so hoch werden, daß sie zum Entstehen von Rissen führen könnten.If the recess 3 of the piston testicle 2 is provided with an additional device, e.g. an insert 40, there may still be a risk of cracks appearing at a certain distance from the edge of the combustion chamber, and also for In this case, the invention offers the possibility of remedying this to a certain extent. This goes out Fig. 1 shows where on the left side an insert 40 made of a different material is shown. With such a Construction can relieve the stresses that occur at the point Z, which is closer to the edge of the piston head 2 is than the point X, still become so high that they could lead to the formation of cracks.

Ansprüche: Claims :

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Claims

EXPECTATIONS

1. Piston for an internal combustion engine with a piston head, one adjoining the piston head Piston skirt, a first piston pin boss connected to the piston crown on one side of the piston and a second piston pin boss connected to the piston crown on the opposite side of the piston, each piston pin boss has a bore for receiving the associated piston pin, characterized in that that reinforcing portions (8, 9; 21, 22) are present, each of which is attached to the piston skirt (5), in the Piston skirt passes over and connects one side of the piston with the opposite side of the piston.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the piston head (2) with an overhanging lip (4) having combustion chamber (3) is provided.

3 »piston according to claim 1, characterized in that each reinforcing section (8, 9; 21, 22) is formed integrally with the piston skirt (5) and is different from the first Piston pin boss (6) extends to the second piston pin boss (7).

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4. Piston according to claim 3, characterized in that each reinforcing section (8, 9; 21, 22) on its upper side quickly merges into the underside (27) of the piston head (2).

5. Piston according to claim 4, characterized in that each reinforcing portion (8, 9; 21, 22) when viewed of the piston in a sectional plane which is at right angles to the axis (10) of the bores (6a, 7a) of the piston pin bosses (6, 7) runs, on its upper side in the form of a uniform curvature (28) in the underside (27) of the piston head (2) passes and is arranged between the piston pin bosses.

6. Piston according to claim 5, characterized in that the lowermost ends of the rapid curvature (28) are lower as the axis (10) of the bores (6a, 7a) of the piston pin bosses (6, 7) receiving the piston pin.

7. Piston according to claim 6, characterized in that

the interior of the piston is shaped so that it does not have any undercuts having.

8. Piston according to claim 7, characterized in that the piston head (2) with a combustion chamber (3) in the form of a re-entrant recess is provided.

9. Piston according to claim 7, characterized in that the inner end faces (30, 31) of the piston pin assembly ^ on (6, 7) in the direction of the piston crown (2) upwards and inwards are inclined to accommodate a tapered piston pin boss of a connecting rod.

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