DE7627154U1

DE7627154U1 - ölgekühlter Kolben

Info

Publication number: DE7627154U1
Application number: DE7627154U
Authority: DE
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1976-08-31
Publication date: 1977-07-07
Also published as: US4056044A; CA1037801A; GB1508412A

Description

CATERPILLARTRACTORCO., Peoria, 111. 61629, V.St.A.

Ölgekühlter Kolben

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenanordnungen für Vorrichtungen mit hin- und hergehenden Kolben, wie beispielsweise Motore, Pumpen, Kompressoren oder dgl.. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf verbesserte Mittel zum Kühlen solcher Kolben.

Zum Stand der Technik sei auf die folgenden U.S. Patente hingewiesen: 2 865 348, 3 221 718, 3 314 402 und 3 877 351.

Es wird beständig daran gearbeitet, die Konstruktion von Kolben von Vorrichtungen mit hin- und hergehenden Kolben, wie beispielsweise von Verbrennungsmotoren, Pumpen, Kompressoren oder dgl., zu verbessern. Bei vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß die Kolben in wirkungsvoller Weise hohen Temperaturen widerstehen, die das Überhitzen und Reissen des Kolbens hervorrufen können, und welche zur Abscheidung von Reststoffen auf den Dichtungsringen und zugehörigen Nuten beitragen .

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Allgemein kann man die verschiedenen Möglichkeiten zu Verbesserungen in folgende Kategorien einteilen: Verbesserungen des Konstruktionsaufbaus, Verbesserungen hinsichtlich metallurgischer Zusammensetzung und Verbesserungen hinsichtlich der Kühlung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die letztgenannte Verbesserungsart und die oben genannten U.S. Patente veranschaulichen den Stand der Technik.

Eine Schwierigkeit bei der Vorsehung einer verbesserten Kühlung der Kolben besteht im Erreichen einer wirkungsvollen Zirkulation des Kühlströmungsmittels, normalerweise Schmieröl, in einer einfachen Struktur oder einem einfachen Aufbau. Wie man aus den obigen Patenten ersieht, erzeugen viele Strukturen oder Bauformen eine gute Kühlmittelzirkulation, sind aber, was ihren Aufbau anlangt, recht kompliziert. Insoferne sind diese bekannten Vorrichtungen hinsichtlich ihrer Herstellungskosten nachteilig, und zwar sowohl im Hinblick auf das Gießen verschiedener Ausformungen oder Kühlmittelleitungen, als auch vom Standpunkt des Zusammenbaus aus, wo Mehrfachteile verwendet werden müssen. Andere im Aufbau einfache Konstruktionen bewirken keine wirkungsvolle Kühlung. Demgemäß besteht noch immer ein echtes Bedürfnis, eine verbesserte Kolbenanordnung vorzusehen, die eine effektive Kühlung erreicht, wobei aber die Herstellungskosten minimiert werden.

Die Erfindung hat sich demgemäß in erster Linie die Aufgabe gestellt, eine Kolbenanordnung mit verbesserten Kühlmitteln vorzusehen, die in wirkungsvoller Weise den Kolben während des Betriebs kühlen und die in wirtschaftlicher Weise herstellbar sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird dies bei einer Ausbildungsform durch folgende Maßnahmen erreicht: Ein im ganzen zylindrischer Kolbenkörper ist mit einer Krone (Kopf), einem nach unten weisenden relativ kurzen Ringsteg und einem mittigen innere und äußere Kammern aufweisenden Hohlraum ausgestattet. Ferner sieht die Erfindung Dichtungsaufnahmenuten im Ringsteg vor, die zur Aufnahme von Dichtungsringen vorgesehen sind. Ferner sieht die Erfindung einen im ganzen zylindrischen Mantelkörper

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vor und besitzt ein Ende, welches im wesentlichen an dem Ringsteg des Kolbenkörpers anstößt. Er ist mit dem Kolbenkörper ausgerichtet. Schließlich sieht die Erfindung noch vor, daß eine Ringnut am Ende des Mantelkörpers angeordnet ist und sich in den Mittelhohlraum des Kolbenkörpers hinein öffnet, um Schmiermittel aufzunehmen, welches von dem Hohlraum herabläuft, und um das Schmiermittel während der Hin- und Herbewegung des Kolbens gegen das Innere des Ringstegs zu spritzen, um so den Ringsteg in der Nähe der Dichtungsaufnahmenuten zu kühlen.

Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Querbohrung im Mantelkörper vorgesehen, um einen üblichen Kolbenbolzen aufzunehmen, und der Kolbenkörper umfaßt ein Paar von nach unten ragenden VorSprüngen, deren jeder eine Kolbenbolzenaufnahmeöffnung besitzt, und zwar ausgerichtet mit der Querbohrung derart, daß die Teile in einfacher Weise zusammengebaut werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Ringrippe vorgesehen, die vom Kolbenkopf nach unten ragt und die nach unten weisenden Vorsprünge mit Abstand gegenüber dem Mantelkörper derart trägt, daß das Kühlmittel oder Schmiermittel nach oben gesprüht werden kann, um in der Ringnut und dem Mittelhohlraum des Kolbenkörpers gesammelt oder da hineingespritzt zu werden.

Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine der Nuten im Ringsteg zur Aufnahme eines ölrings geeignet und Bohrungen erstrecken sich von dieser Nut aus zum Inneren des Kolbenkörpers. Auf diese Weise kann Schmiermittel, welches vom den Kolben aufnehmenden Zylinder durch den ölring abgestrichen wurde, in die Ringnut über derartige Bohrungen geleitet werden, um als ein Kühlmittel zu wirken.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine hin- und hergehende Vorrichtung, nämlich einen Motor, der eine erfindungs-

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gemäß ausgebildete Kolbenanordnung verwendet;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die KoIbenanordnung annähernd längs der Linie 2-2 der Fig. 1.

Ein Ausbildungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenanordnung ist in der Zeichnung in Zusammenhang mit einer hin- und hergehenden Vorrichtung in der Form eines Motors dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung bei Motoren beschränkt ist, sondern in vorteilhafter Weise auch bei anderen hin- una hergehenden Vorrichtungen, wie beispielsweise Pumpen, Kompressoren oder dgl., verwendet werden kann, wo es erwünscht ist, die Kolbenanordnung mittels eines Schmiermediums zu kühlen.

Die hin- und hergehende Vorrichtung - vgl. Fig. 1 - umfaßt einen Block 10, der mit einer Zylinderauskleidung 12 ausgestattet ist, welche den Zylinder definiert, in dem die Kolbenanordnung sich hin- und herbewegt. Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Kopf 14, der mit einer Anschlußöffnung 16 zur Aufnahme eines Elements 18 ausgestattet ist. Das Element 18 kann eine Zündkerze sein, wenn es sich beim Motor um einen Zündkerzenmotor handelt, oder aber es kann eine Brennstoffeinspritzdüse sein, wenn es sich beim Motor um einen Dieselmotor handelt.

Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Kurbelwelle 20 mit einem Exzenter 22, wobei diese beiden Elemente mit einer innen liegenden Schmiermittelleitung 24 ausgestattet sind, wie dies üblich ist. Eine Kühlölleitdüse 26 ist unterhalb des unteren Endes der Auskleidung 12 angeordnet und mit einer unter Druck stehenden Schmiermittelquelle in üblicher Weise verbunden, um öl nach oben in den Zylinder zu leiten, wie dies bei 28 dargestellt ist.

Eine Verbindungsstange ist durch geeignete Lager au'f dem Exzenter 22 gelagert und nimmt unter Druck stehendes Strömungsmittel von Leitung 24 über einen sich radial erstreckenden Kanal 34 im Exzenter 22 auf.

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Die Stange 30 besitzt ein oberes oder "Augen"-Ende, welches ein Hülsenlager 38 aufnimmt, um die Stange 30 auf einem Kolbenbolzen 40 zu lagern. Da die relative Kipp- oder Schaukelbewegung zwischen dem Stangenende 36 und dem Kolbenbolzen 40 minimal ist, wird durch die Düse 26 zur Erzeugung ausreichender Schmierung hinreichend viel Schmiermittel für die' Grenzfläche vorgesehen, die durch das Lager 38 definiert ist.

Die Kolbenanordnung umfaßt ein erstes Element oder einen Hauptkörper 48 von im ganzen zylindrischer Form. Der Hauptkörper 48 besitzt eine Krone (Kopf) 50 und einen nach unten weisenden, relativ kurzen Ringsteg 52. Der Ringsteg 52 ist mit Umfangsnuten 54 ausgestattet, und zwar zur Aufnahme von Kompressionsringen 56, wobei eine weitere Umfangsnut 58 zur Aufnahme eines üblichen ölrings 60 dient. Die Kolbenanordnung umfaßt ebenfalls ein zweites Element oder einen.Mantelkörper 62, ebenfalls von im ganzen zylindrischer Form.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist das obere Ende 64 des Mar.^elkörpers 62 nachbart zum Ringsteg 52 des Hauptkörpers 48 angeordnet und besitzt eine Ringnut 66, die sich nach oben zum Kopf 50 und in die äußere Kammer 67 eines Mittelhohlraums 68 im Hauptkörper 48 hin öffnet. Der Mittelhohlraum 68 umfaßt ebenfalls eine Innenkammer 69, die zum Kurbelkasten hin offen ist, wie man am besten in Fig. 2 erkennt.

Der Mantelkörper 62 ist am Hauptkörper 48 wie folgt befestigt. Ein Paar von Vorsprüngen 70 wird durch eine Ringrippe 71 getragen und ist innerhalb des Hohlraums 68 in nach unten weisender Beziehung gegenüber dem Kopf 50 angeordnet und besitzt ausgerichtete öffnungen 72 zur Aufnahme des Kolbenbolzens 40. Der Mantelkörper 62 besitzt eine Querbohrung 74, die mit den öffnungen 72 ausgerichtet ist, um die Enden des Kolbenbolzens 40 in der dargestellten Weise aufzunehmen. Schnapphalteringe 76 werden zur wirkungsvollen Festlegung des Kolbenbolzens 40 in der in Fig. 1 gezeigten Stellung verwendet.

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Schmieröl wird der Aussenkairaner 67 und deren Oberfläche 80 radial nach aussen gegenüber den VorSprüngen 70 zugeführt, und zwar durch eine Reihe von Bohrungen 82, die sich durch den ■ kurzen Ringsteg 52 in die ölringaufnahmenut 58 erstrecken. Während des Betriebs der Vorrichtung wird von der Wand der Auskleidung 12 durch den ölring 60 abgestreiftes öl in die Nut 58 gelenkt und durch die Bohrungen 82 in den Innenraum der Anordnung geleitet.

Man erkennt, daß das aus den Bohrungen 82 austretende öl nach unten in die Ringnut 66 ablaufen kann. Gleichzeitig wird auf die Oberfläche 80 der Kammer 67 durch die Düse 26 aufgesprühtes öl in ähnlicher Weise in .die Nut 66 ablaufen. Während des Betriebs der Vorrichtung wird das öl in der Nut 66 fortlaufend nach oben gegen den Teil des Ringstegs 52 gespritzt, der die Ringaufnahmenuten 54 und 58 darinnen besitzt, um diesen zu kühlen.

Wie man in Fig. 2 erkennt, wird das aus Düse 26 austretende öl ebenfalls abwechselnd und kräftig in die beiden Kammer 67 und 69 des Mittelhohlraums 68 gelenkt, und zwar infolge der Hin- und Herbewegung des Kolbens, was die relative Ausrichtung des Strahls 28 ändert. Die kombinierten zusammenwirkenden Innenoberflächen von Kopf 50, Vorsprüngen 70 und Ringsteg 52 sind von solcher Art, daß das auftreffende schmierende und kühlende öl in wirkungsvoller Weise alle kritischen Oberflächen und Zonen konditioniert.

Es sei bemerkt, daß erfindungsgemäß vorzugsweise ein kleiner Spalt zwischen Ringsteg 52 und Mantelkörper 62 vorgesehen ist, um die Übertragung von kippenden und verdrehenden Belastungen zwischen den zusammenwirkenden Gliedern zu verhindern. Dieser Spalt hat ebenfalls die Tendenz, eine zusätzliche Menge an Öl für die Nut 66 zu sammeln und nach innen zu leiten, was ein angemessenes Strömungsmittelvolumen für die Kolbenkühlzwecke sicherstellt.

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Die erfinduugsgemäße Kolbenanordnung sieht somit eine ausgezeichnete Kühlung des Kopfes der Anordnung vor, um ein überhitzen und Springen auszuschließen. Gleichzeitig ergibt sich eine ausgezeichnete Kühlung der Zone der Kolbenanordnung, welche die Ringe 56 und 60 trägt, so daß die Resteansammlung vermieden wird, welche die Tendenz besitzt, das Pestkleben dieser Ringe zu bewirken. Man erkennt ebenfalls, daß die erfindungsgemäße Kolbenanordnung in ihrem Aufbau verhältnismäßig einfach ist und keine speziellen Gießverfahren benötigt und auch keine besonderen Schwierigkeiten beim Zusammenbau der Teile bietet. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß die einzigartige Anordnung des Kolbenbolzens 40 bezüglich der Vorsprünge 70 und der Querbohrung 74 im Mantelkörper β2 nicht nur die übliche Punktion des Lagerns der Kolbenstange vorsieht, sondern auch dazu dient, die Kolbenanordnung im zusammengebauten Zustand zu halten. Darüber hinaus erkennt man, daß die erfindungsgemäße Anordnung eine leichte Wartung und/oder Ersetzung jedweder Kolbenteile unabhängig voneinander gestattet.

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Claims

Ansprüche

1. Kolbenanordnung, gekennzeichnet durch einen im ganzen zylindrischen Kolbenkörper (48) mit einem Kopf (50), einem nach unten weisenden, relativ kurzen Ring™ steg (52) und einem Mittelhohlraum (68) , wobei ferner Dichtungsaufnahmenuten (54, 58) in dem Ringsteg (52) vorgesehen sind und zur Aufnahme von Dichtungsringen (56, 60) dienen, und wobei ein im ganzen zylindrischer Mantelkörper (62) mit einem Ende (64) benachbart zu dem Ringsteg (52) und ausgerichtet mit dem Kolbenkörper (48) vorhanden ist, und wobei schließlich eine Ringnut (66) in dem erwähnten Ende (64) sich in den Mittelhohlraum (68) hinein öffnet, um von dort ablaufendes Schmiermittel aufzunehmen, und um das Schmiermittel während des Hin- und Herbetriebs des Kolbens gegen das Innere des Ringstegs (52) zu spritzen, um diesen in der Nachbarschaft der Nutenmittel (54, 58) zu kühlen.

2. Kolbenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelkörper (62) eine Querbohrung (74) zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (40) aufweist, und daß der Kolbenkörper eine nach unten weisende Rippe (71) und ein Paar von Vorsprüngen (70) besitzt, und zwar jew ils mit einer Kolbenstiftaufnahmeöffnung (72) ausgerichtet mit der Querbohrung (74).

3. Kolbenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Oberfläche (80) der Rippe (71) mit Abstand gegenüber dem Mantelkörper (62) derart angeordnet ist, daß aus einer Versorgungsdüse (26) austretendes Schmiermittel in die Ringnut (66) und den Hohlraum (68) spritzen kann.

4. Kolbenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (54, 58) eine Umfangsnut (58) in dem Ringsteg (52) zur Aufnahme eines ölrings (60) aufweisen, und daß Mittel in dem Kolben (62) eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Umfangsnut (58) und dem Mittelhohlraum (68) derart herstellen,

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daß von einem den Kolben aufnehmenden Zylinder abgestreiftes Schmiermittel der Ringnut (66) zugeführt wird, um den Kolbenkörper (62) zu kühlen.

5, Kolbananordnung? gekennzeichnet durch einen zylindrischen Kolbenkörper (48) mit einer Krone (50), einem wegragenden Ringsteg (52), einem Mantel (62) und einem Mittelhohlraum (68), ferner gekennzeichnet durch eine einen ölring aufnehmende Umfangsnut (58) an einem Teil des Ringstegs (52), wobei ferner eine Ringnut (66) in dem Mantel (62) sich zur Krone (50) hin und innerhalb des Mittelhohlraums (68) öffnet, und wobei die Umfangsnut (58) zwischen der Krone (5O^-) und der Ringnut (66) entlang der Länge des Mantels (62) angeordnet ist,und wobei eine Vielzahl von Kanälen (82) sich durch den Kolbenkörper (48) von der Umfangsnut (58) aus zu einem Teil des Mittelhohlraums

(68) erstreckt, um in der Umfangsnut (58) aufgenommenes Öl zu der Ringnut (66) zu leiten, um von dort zur Kühlung des Kolbenkörpers (48) weggespritzt zu werden.

6. Kolbenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß· der Kolbenkörper (48) durch erste und zweite zylindrische Elemente gebildet ist, daß das erste Element die Krone (50) und den Ringsteg (52) einschließlich der Umfangsnut (58) aufweist, und daß das zweite Element den Mantel (62), die Ringnut (66), angeordnet in einem Ende (64) des zweiten Elements, und Mittel aufweist, welche in lösbarer Weise die ersten und zweiten Elemente miteinander verbinden.

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