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Tauchkolben für schwere Brennkraftmaschinen Tauchkolben . für schwere
Brennkraftmaschinen, insbesondere Großdieselmaschinen stehender Bauart, wurden bisher
so gebaut, daß der oberste Teil des Kolbens, welcher die Dichtungsringe trägt, von
der Zylinderbüchse frei. geht, während der übrige Teil des Kolbens auf seiner ganzen
Länge oder deren größtem Teil zur übertragung des Normaldruckes an die Laufbüchse
herangezogen wird: Wenn derartige Kolben neu eingebaut sind, wird der Motor schrittweise
belastet und die Kolben werden des öfteren ausgebaut und nachgearbeitet, bis sie
auf der ganzen Fläche hinreichend gleichmäßig tragen. Dabei nehmen die Kolben auf
der tragenden Seite mehr oder weniger ovalen Querschnitt an. Durch dieses Verfahren
werden sowohl Kolben als auch Laufbüchse von vornherein geschädigt. Deshalb versucht
man, das Nacharbeiten und die Einlaufzeit dadurch zu verringern, daß die Kolben
vor dem ersten Einbau mit Hilfe von Schablonen usw. möglichst genau einem bereits
eingelaufenen Kolben angeglichen werden.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Aufnahme des Gleitbahndruckes
auf der ganzen Länge des Kolbens oder deren größtem Teil an sich ungünstig ist,
weil sie
die dauernde Ausbildung eines Schmierkeils, entsprechend
den Gesetzen der Flüssigkeitsreibung, nicht zuläßt. Nach diesen Gesetzen liegt die
Resultierende der Flüssigkeitsdrücke stets hinter der Mitte der bewegten Lauffläche.
Gleichgewicht der Lauffläche und damit die dauernde Erhaltung eines Schmierkeils
und die Erzeugung der Flüssigkeitsdrücke ist nur möglich, wenn die belastende Kraft
N entgegengesetzt gleich. der Resultierenden der Flüssigkeitsdrücke ist und in der
Linie der letzteren angreift. Es muß also auch die belastende Kraft IV in die hintere
Hälfte der Fläche fallen.
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Fig. z stellt einen Kolben der üblichen Ausführung dar, bei welchem
der Kolbenbolzen oberhalb der Laufflächenmitte JII-11 angeordnet ist. Angenommen,
daß dieser Kolben sich nach unten bewegt, dann liegt die Resultierende R der Flüssigkeitsdrücke
hinter, hier oberhalb der Laufflächenmitte. Sie ist gleich der belastenden Kraft
1` und greift entgegengesetzt der Richtung der letzteren an. Unter diesen Umständen
kann sich die Schräglage des Kolbens und der zur Erzeugung der Flüssigkeitsdrücke
erforderliche Schmierkeil erhalten. Der Keilwinkel stellt sich selbsttätig entsprechend
Verschiebegeschwindigkeit, Belastung und Ölzähigkeit ein. Diese Schräglage des Kolbens
ist auch stabil, denn bei einer zufälligen Verkleinerung des Keilwinkels rückt die
Kraft R nach vorn, d. h. hier nach unten, und erzeugt ein abkippendes Moment. Gegen
Hubende wird die Geschwindigkeit des Kolbens und daher auch der Keil"vinkel kleiner.
Die Flüssigkeitsdrücke gehen zurück, die Schmierschicht wird dünner. Im unteren
Totpunkt ist das Schmiermittel verdrängt, der Kolben liegt drucklos an der Laufbüchse
an.
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Fig. 2 zeigt den gleichen Kolben in der Bewegung nach oben. Die belastende
Kraft X greift in Mitte Kolbenbolzen, d. h. vor, hier oberhalb der Laufflächenmitte
J1-161 an. Die Resultierende R der von einem Schmierkeil erzeugten Flüssigkeitsdrücke
würde aber stets hinter. d. h. unterhalb dieser Mitte angreifen müssen. Beide Kräfte
bilden ein Moment, «-elches den Keilwinkel verkleinert und das Schmiermittel verdrängt,
so daß sich der angenommene Schmierkeil nicht ausbilden kann. Der Kolben senkt sich
und berührt metallisch die Laufbüchse.
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Bei der dargestellten Lage des Kolbenbolzens oberhalb der Laufflächenmitte
ist also nährend des Aufwärtshubs Flüssigkeitsreibung nicht möglich. Das Gleiche
gilt für den Abwärtshub, wenn der Kolbenbolzen unterhalb der Laufflächenmitte angeordnet
ist. Bei jeder Lage des Kolbenbolzens wird also bei jedem zweiten Hub das Schmiermittel
zwischen Kolben und Laufbüchse verdrängt. Darum kann sich auch während der übrigen
Hübe der Schmierkeil nur unvollständig ausbilden, weil das Schmiermittel nach dem
Hubwechsel erst wieder zufließen muß. Solche Kolben können also bestenfalls mit
halbtrockner Reibung laufen und weisen alle Nachteile dieses Schmierzustandes auf.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß je eine ringförmige Kolbentragfläche
oberhalb des Kolbenbolzens unmittelbar an den Dichtungsteil anschließend sowie unterhalb
des Kolbenbolzens am unteren Kolbenende in einem Abstand angeordnet sind, vermöge
dessen der resultierende Druck aus den Schmiermitteldrücken an den beiden Tragflächen
annähernd durch die Kolbenbolzenmitte geht. Dadurch gleichen sich resultierender
Schmiermitteldruck und lorrnaldruck des Kolbens ständig aus, so daß die Flüssigkeitsreibung
an den Tragflächen in jeder Kolbenstellung erhalten bleibt. Ringförmige Kolbentragflächen
sind zwar an sich bekannt. Man hat solche für Explosionsmotoren zwecks Verminderung
der Kolbenreibung sowie für Leichtmetallkolben zur Verhinderung schneller Abnutzung
derselben vorgeschlagen. Ferner ist es bekannt, durch getrennte Kolbentrog- oder
-dichtflächen einen Raum zur Zurückhaltung einer gewissen Schmiermittelmenge zu
bilden.
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Alle diese Vorschläge gehen demnach nicht von den Erkenntnissen aus,
die der Erfindung zugrunde liegen und verfolgen andere Zwecke. Bei Großbrennkraftmaschinen
hat man bisher entweder eine an den oberen Dichtungsteil anschließende Tragfläche
über die ganze Kolbenlänge oder eine in Höhe oder unterhalb des Kolbenbolzens liegende
größere Tragfläche angewendet.
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In Fig. 3 und .1 ist der Erfindungsgegenstand dargestellt. Fig.3 zeigt
den Kolben in der Abwärtsbewegung.
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Zwischen der belastenden Kraft 1' einerseits und den Resultierenden
R1 und R" der Flüssigkeitsdrücke anderseits besteht Gleichgewicht. Die Kräfte R1
und R., greifen hinter, hier oberhalb ihrer Tragflächenmitten lI-L1 an. Die Schräglage
des Kolbens ist stabil, weil bei einer zufälligen Verkleinerung des Keilwinkels
die Kräfte R1 und R2 nach unten rücken und ein Gegenmoment hervorrufen. Die Bedingungen
der Flüssigkeitsreibung sind daher erfüllt. Das Gleiche gilt aber auch für die Bewegung
des Kolbens nach oben, wie in Fig. 4. dargestellt. Die Resultierenden R1 und R"
der Flüssigkeitsdrücke halten der belastenden Kraft JV das Gleichgewicht und liegen
hinter, hier unterhalb der Tragflächenmitten11-31. Die Schräglage des Kolbens ist
stabil, weil eine zufällige Verkleinerung des
Keilwinkels die Kräfte
R1 und R2 nach oben verschiebt und ein Gegenmoment weckt. Der Kolben läuft also
dauernd- im Zustand der Flüssigkeitsreibung, womit alle die bekannten Vorteile dieser
Schmierungsart verbunden sind. Von ihnen sind für Großdieselmotoren die nachstehenden
besonders wichtig: Die Tragflächen können ohne Gefahr für die Betriebssicherheit
spezifisch weit höher belastet werden, als dies bei Tauchkolben der bisherigen Ausführung
möglich war. Die Kolben der vorliegenden Ausführung können deshalb wesentlich kürzer
-und daher leichter ausgeführt werden als bisher üblich. Sie können ferner erfahrungsgemäß
überall zylindrisch gedreht werden und laufen ohne Nachpassen und Einlaufen sofort
einwandfrei. Die Abnutzung von Kolben und Laufbüchsen ist ganz wesentlich geringer
als bei den bisherigen Tauchkolben.
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Auf die Lauf- bzw. Tragflächen selbst können alle Maßnahmen angewendet
werden, welche als vorteilhaft für Flüssigkeitsreibung erkannt sind. Dahin gehören
Anschrägung der Kanten, weitere Unterteilung der Laufflächen usw. Die Laufflächen
können auch durch eingesetzte ringförmige Teile gebildet werden.
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Für die Ausbildung dieser Kolben ist es wesentlich, daß ihre Oberfläche
oberhalb und unterhalb der Bolzenmitte nur so weit zurücksteht, daß Flüssigkeitsdrücke
dort nicht entstehen, daß jedoch zwischen Kolben- und Laufbüchse ein durchlaufender
Ölfilm festgehalten wird. Diese Malinahme dient der ausreichenden Ölversorgung der
Schmierkeile, insbesondere des oberen Schmierkeils beim Abwärtsgang des Kolbens.
Sie bewirkt ferner die Kühlung dieses Öles durch Laufbüchsen- . und Kolbenwand und
verhindert dessen Berührung mit Luft, so daß eine Verkokung hintangehalten wird.
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