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Ovaler Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Das Patent
700 425 betrifft 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 an
den Kolbenoberteil anschließende Bolzennaben einstückig mit .den Manteltragflächen
durch Stege verbunden sind, welche auf die Außenflächen der Schwermetallstreifen
aufgegossen sind und mit diesen bei Erwärmung sich nach außen krümmende Bimetallkörper
bilden.
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Gemäß der Erfindung werden bei derartigen Kolben zwei an sich bekannte
Merkmale, und zwar a) daß der Kolbenbolzen in den Bolzennaben bei Temperaturen unter
2z° C festsitzt, und b) daß eine der Tragflächen einen Längsschlitz aufweist, der
beim Festsitzen des Bolzens. eine Auseinanderbewegung,der Mantelteile (r5) zuläßt,
miteinander vereinigt. Dadurch wird eine neue Gesamtwirkung erzielt, indem die durch
die bimetallischen Streifenkörper verursachten Bewegungen der Tragflächenteile auch
bei festsitzenden Kolbenbolzen ermöglicht werden. Ferner wird in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung eine Ausgleichung der Wirkung der Bimetallglieder dadurch erreicht,
daß an der Innenfläche der Schwermetallstreifen wenigstens ein aus dem Kolbenwerkstoff
gebildeter Steg vorgesehen wird, welcher sich von der Bolzennabe
gegen
die geschlitzte. Tragfläche erstreckt und einen kleineren Querschnitt aufweist als
die äußeren Leichtmetallbeile der Bimetallglieder.
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Die Erfindung ist in einer beispielsweisen Ausführungsform beschrieben;
aber es ist selbstverständlich, daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können,
ohne sich vorn dem eigentlichen Erfindungsgedanken zu entfernen.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. i den Kolben in Seitenansicht, Fig.
a .die linke Seite des Kolbens nach der- Darstellung in Fig. i, teilweise im Schnitt,
Fig. 3 einen, Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie
4-4 in Fig. i, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie 5-5 in Fig. i ; Fig.6 entspricht
in abgeänderter Form der Fig. 4; Fig. 7 zeigt einen Teilschnitt in einer weiteren
abgeänderten Ausführungsform; Fig. $. zeigt einen Streifenteil.
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Der Kopf teil io des Kolbens, welcher die Kolbenringnuten i i trägt,
weist einen kleineren Durchmesser auf alsr die Bohrung des Zylinders, um eine Berührung
der zwischen den Nuten stehentleibenden Stege mit der Zylinderlaufbahn bei jeder
Temperatur zu vermeiden. Von ihm gehen Halsteile 12 aus, welche die Kolbenbolzennaben
13 mit den Nabenbohrungen 14 tragen. Der Mantel des Kolbens wird :durch gegenüberliegende
Tragflächen 15 und 16 gebildet, deren obere Enden vom Kopf durch Schlitze 17 getrennt
sind, und .deren untere Enden durch bogenförmige Teile i8 miteinander verbunden
sind:.
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Da die auf den Mantel einwirkenden Kräfte im wesentlichen in der durch
den senkrecht zur Kolbenbolzenachse gerichteten Durchmesser B-B (vgl. Fig. 4) gehenden
Längsebene angreifen, ist es besonders wichtig, dessen Länge bei allen vorkommenden
Temperaturen, dem Durchmesser der Zylinderbohrung anzugleichen. Der in Richtung
des Kolbenbolzens verlaufende ManteldurchmesserA-A ist durch Ovalschleifen .des
Mantels etwas kürzer bemessen. Der Mantel hat daher- in kaltem Zustand längs der
dem Durchmesser B-B benachbarten Teile einen verhältnismäßig engen Sitz in der Zylinderbohrung,
während der Durchmesser-A-A einen reichlicheren Spielraum hat.
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Um dem Mantel mit steigender Kolbentemperatur eine zylindrische Form
zu geben, wodurch der Durchmesser A-A vergrößert und der Durchmesser B-B verringert
wird, sind Regelglieder in Form von bei Erwärmung sich nach außen krümmenden Bimetallkörpern
vorgesehen, die aus, einem inneren Streifenteil ig, welcher aus Metall, z. B. Stahl,
geformt ist, das einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizientn besitzt als das
Mantelmaterial, und einen äußeren aus dem Mantelwerkstoff geformten Teil 2,o bestehen,
der bei der dargestellten Bauart einen Teil der Bolzennabe und die von der Bolzennabe
zu jeder Tragfläche sich erstreckenden Verbindungsstege umfaßt.
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Da bei diesen Bimetallkörpern der ausdehnungsfähigere Werkstoff auf
der Außenseite angeordnet ist, biegt sich der mittlere Teil jedes dieser Körper
bei steigender Temperatur nach außen, wodurch die Bolzennaben sich voneinander strecken
und der Mantel aus einer ovalen in eine zylindrische Form gebracht wird. Dadurch
wird eine unerwünscht starke Vergrößerung des Durchmessers B-B verhindert und ein
geeigneter Arbeitsspielraum zwischen den Tragflächen und den Zylinderwandungen aufrechterhalten.
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Beim Stillstand der Maschine kühlt sich der Kolben ab, die Bimetallkörper
verflachen sich wieder in ihre ursprüngliche Form, und die Bolzennaben nähern sich
einander, wodurch der Durchmesser B-B in seinem richtigen Arbeitsspielraum gehalten
und ein Kolbenklopfen beim nächsten Anlassen-des kalten Motors verhindert wird.
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Diese Arbeitsweise des Kolbens ist möglich, wenn der Kolbenbolzen
(nicht gezeichnet) so in die Bohrungen 14 der Bolzennaben eingepaßt ist, daß die
Naben bei kaltem und auch bei warmem Kolben auf dem Kolbenbolzen frei gleiten können.
Bei manchen Maschinen wird jedoch der Kolbenbolzen so in die Naben eingepaßt, daß
er bei Temperaturen unter 21° C festsitzt. Wenn ein Kolben mit derart eingepaßten
Bolzen .und ungeschlitztem Mantel erwärmt wird, werden die Naben durch die bei der
Erwärmung erfolgende Krümmung der Bimetallkörper auseinanderbewegt; wenn der Kolben
sich jedoch abkühlt, schrumpfen die Naben auf den Bolzen auf, ehe die Bimetallkörper
sich wieder völlig gestreckt haben. Sie können. daher nicht ganz in ihre ursprüngliche
Lage zurückkehren, und ihre #\veitere Streckung kann nur eine Bewegung ihrer äußeren
Enden bewirken, wodurch der zwischen ihnen gelegene Mantelteil gestreckt, der Durchmesser
B-B verkleinert wird und der Kolben in kaltem Zustand einen loseren Sitz im Zylinder
erhält als er ursprünglich hatte und daher beim nächsten Anlassen .des Motors klappert.
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Um das zu verhindern, wird erfindungsgemäß ein in der Tragfläche 15
sich erstreckender Längsschlitz 21 vorgesehen sowie ein Mittel zur Ausgleichung
der Biegungsbewegung der Bimetallkörper in Form von Stegen 22, die sich von einer
Bolzennabe zu der Tragfläche 15 erstrecken und einen kleineren Querschnitt aufweisen
als die äußeren Stege 2o. Durch diese Stege 22 wird die Biegungsbewegung der Bimetallkörper
verringert. Infolgedessen wird bei der Erwärmung eines Kolbens nach Fig. i bis 4
der Durchmesser B-B viel weniger verringert, als es ohne die Ausgleichsglieder 22
der Fall wäre, das Spiel des Kolbens im Zylinder bleibt daher eng. Wird der Kolben
anschließend wieder abgekühlt, so bewirkt die nach dem Festsitzen der Naben auf
dem Bolzen noch erfolgende weitere Streckung der Bimetallkörper wie bei Kolben mit
ungeschlitztem Mantel eine nach außen gerichtete Bewegung der Enden der Bimetallkö.rper
ig, 2o, 22, die aber den geschlitzten Teil 15 dies Mantels nicht abflacht, sondern
durch Öffnung des Längsschlitzes 21 bewirkt, daß eine Verkleinerung des Durchmessers
B-B vermieden wird.
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Auf der ungeschlitzten Tragfläche 16 verursacht
das
Spreizen der äußeren 1?nden der Bimetallkörper ein Hereinziehen des am Ende des
Durchmessers B-B gelegenen Teils der Tragfläche. Dieser Vorgang wird aber annähernd
durch die Ausnehmung des Schlitzes 21 in der Tragfläche 15 wieder aufgehoben. Das
Endergebnis besteht darin, daß der Durchmesser B-B in der Zylinderbohrung so gehalten
wird, daß ein richtiger Sitz für das Arbeiten gewährleistet ist und kein Kolbenklopfen
beim nächsten Anlassen des Motors auftritt.
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Wenn man die Wirkung der Bimetallkörper weiter herabzumindern wünscht,
können. kurze Ausgleichsglieder 23 (Fig. 6) entlang den inneren Seiten der Streifen
ig gebildet werden, wobei sich jedes Glied 23 halbwegs: zwischen einer Bolzennabe
und einer Tragfläche erstreckt und durch ein im Streifen: i9 gebildetes Loch hindurchgeht,
um sich mit dem äußeren Steg 2o zu vereinigen. In Fig. 6 erstrecken sich diese kurzen
Glieder 23 von den Naben aus, doch können sie auch, wie in Fig.7 dargestellt ist,
von der Tragfläche ausgehen.
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Abänderungen in der Wirkungsweise der bimetallischen Regelglieder
können durch den Gebrauch der kurzen Elemente 23 an Stelle der Teile 22 in Fig.4
oder durch den Gebrauch der kurzen Elemente 23 zwischen. jeder Tragfläche und den
Naben erreicht werden.
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In der dargestellten Form erstreckt sich der Schlitz 21 über die ganze
Länge der Tragfläche 15. Wenn ein geringeres Anwachsen des Durchmessers B-B erforderlich
ist, braucht der Schlitz :I nur halbwegs durch die Tragfläche 15 zu gehen.
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Der Kolben kann durch einen Steg 25 verstärkt werden, der sich nach
unten und außen von jeder Bolzennabe zu dem benachbarten bogenartigen Teil 18 erstreckt.
Die Stege-2o und 22 arbeiten neben ihrer Funktion als Teil der Bimetallkörper mit
den Stegen 24 zusammen, um den Kolbenmantel an den Bolzennaben zu halten, indem
sie eine feste, einstückige Kolbenkonstruktion bilden, deren Zusammenhalt nicht
von, den Streifen i9 abhängt. Jeder Streifen i9 weist, wie in Fig.4 und. 7 gezeichnet,
an seinem Rand mehrere gebogene Zungen 26 auf, die eine bessere Verankerung gewährleisten.