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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Gegenstand der Erfindung
ist ein Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, dessen elastischer Schaft ovale
Querschnittsform aufweist. Während des Betriebes erwärmt sich bekanntlich der Kopf
des Kolbens mit seiner Ringpartie stärker als der Schaft. Die Bolzenaugen nehmen
an der hierdurch bedingten größeren Temperaturdehnung der oberen Kolbenpartie teil,
so daß sich der Kolbenschaft in bestimmtem Maße mitverformt und bestrebt ist, mehr
oder weniger Kreisform anzunehmen. Indem der Schaft von der Ringpartie durch einen
oder mehrere Querschlitze getrennt ist, wird es dem ersteren ermöglicht, sich ohne
wesentliche Spannungen zu verformen. Die Verbindung zwischen den beiden Kolbenteilen
wird durch entsprechende Querschnittsverstärkungen, wie z. B. Rippen, über den Kolbenbolzenaugen
hergestellt.
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Die ovale Querschnittsform muß bekanntlich so bemessen sein, d@aß
der Kalben im kalten Zustand möglichst geräuschfrei arbeitet und im warmen Zustand
nicht klemmt. Zur Lösung dieser Aufgabe sind mancherlei Wege beschritten worden;
von denen die meisten über bauliche Maßnahmen versuchten, den durch die verschieden
große Temperaturdehnung an den verschiedenen Stellen. des Kolbens bedingten Verformungen
gerecht zu werden.
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Ein anderer Weg führt über die Verwendung von Steuergliedern in Gestalt
von Ringen, Stangen, Stegen, Bändern u. dgl. Einlagen aus einem Werkstoff, dessen
Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als der des Kolbenbaustoffes. So ist z. B. empfohlen
und auch im einschlägigen Schrifttum schon erwähnt worden, unter Verwendung von
zum Kolbenbolzen parallel verlaufenden Verbindungsstegen eine zu starke Formänderung
des oval geschliffenen Schaftes zu verhindern, urn hierdurch zu erreichen, daß nach
dem Erkalten des Kolbens eine bleibende
Verformung des Schaftes
nicht eintritt, so daß die ursprünglich ovale Gestalt sich wieder einstellt und
das Laufspiel des Kolbens hierdurch gewährleistet bleibt.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Lösung der Aufgabe, das größere
Wärmewachstum des Kolbenkopfes mit den anschließenden Kolbenbolzenaugen, das in
Richtung der Kolbenbolzenachse während des Betriebes auftritt, zur Steuerung der
oberen Kolbenschaftpartie heranzuziehen.
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Bekannt ist es, neuzeitliche Kolben so durchzubilden, daß das Auftreten
einer zu starken Wärmedehnung auf der Druck- und Gegendruckseite eingeschränkt wird.
Den Kolben ist dann Gelegenheit gegeben, sich in höherem Maße in Richtung der Bolzenachse
auszudehnen. Durch die Anordnung von Stegen wird diese Wirkung aber nicht erreicht.
Im Gegenteil, das Wärmewachstum wird gerade in die nicht gewünschte Richtung gedrängt.
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Es ist ferner auch bekannt, mittels steg- oder ringförmiger Abstützglieder
die Steuerung der Temperaturdehnung so vorzunehmen, daß eine über das natürliche
Wärmewachstum hinausgehende verstärkte Dehnung des Schaftes in Richtung der Bolzenachse
erfolgt. Bei einer solchen Kolbenausbildung besteht die Gefahr, daß eine zu starke
bleibende Gestaltsänderung sich einstellt.
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Um eine bleibende Deformation, die gegebenenfalls durch einen Ring,
der in dem Kolbenschaft als Steuerglied angeordnet worden ist, aufzuheben, ist auch
schon darauf hingewiesen worden, dem Kolbenschaft eine ovale Gestalt zu geben und
seinen Durchmesser in Richtung der Kolbenbolzenachse größer zu machen als senkrecht
dazu. Der Ring, der diese Aufgabe übernehmen soll, besteht aus Eisen und ist unterhalb
der Kolbenaugen im Schaft eingeschraubt, eingeklemmt oder eingepreßt. Während des
Betriebes wird sich jedoch der aus Leichtmetall bestehende Schaft des Kolbens stärker
erwärmen als der Gußeisenring, so daß der letztere sich lockert und die Gefahr besteht,
daß er sogar aus dem Schaft herausfällt. Daher ist diese Maßnah.me zur Steuerung
der Wärmedehnung des Schaftes auch praktisch nicht angewendet worden.
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Zur Wärmeregulierung ist ferner auch schon je ein Ring in dem oberen
und unteren Teil des Kolbenschaftes eingegossen worden, der senkrecht zur Kolbenbolzenachse
entweder Ausnehmungen aufweist oder innen oval gestaltet ist. Der Ring besitzt an
seinem Umfang Vorsprünge, mit welchen er im Kolbenschaft verankert wird. Die Ausnehmungen
dienen dazu, das Herausziehen der Kerne zu ermöglichen. Die Ringe haben die Aufgabe,
auf jeden Fall ein Unrundwerden des Kolbens zu verhindern. Der Kolben muß daher
im kalten Zustand rund sein. Bei dieser bekannten Kolbenausführung wird ferner in
Richtung der Kolbenbolzenachse ein stärkerer Wärmeeinfall eintreten, so daß der
Schaft sich in dieser Richtung stärker ausdehnt als senkrecht dazu. Der Ring hat
die Aufgabe, diese Wärmeausdehnung zu verhindern, denn sonst wird der Kolben oval.
-Daher muß der Ring entsprechend stark bemessen sein. Es ist jedoch zu befürchten,
daß der Ring diese Aufgabe nicht zu lösen vermag, weil die Gefahr besteht, daß er
in den scharfen Ecken oder infolge des schwachen Querschnittes bei ovaler Innenkontur
beim Dehnen reißt, Wenn jedoch entsprechend der Erfindung zur Steuerung der oberen
Kolbenschaftpartie das größere Wärmewachstum des Kolbenkopfes mit den anschließenden
Kolbenbolzenaugen ausgenutzt werden soll, darf der Ring nicht die im Betrieb auftretende
Verformung des Kolbenschaftes verhindern. Er muß vielmehr dafür sorgen, daß bei
der Erwärmung des Kolbens im Betrieb der Schaft in Richtung der Bolzenachse sich
dehnen kann, wobei der Ring in dieser Richtung oval verformt wird und dabei auf
der Druck- und Gegendruckseite den Kolbenschaft einzieht, so daß der ursprünglich
ovale Onerschndtt des Kolbens sich der Kreisform nähert. Daher ist der Querschnitt
des Ringes von vornherein so bemessen, daß die Lösung dieser Aufgabe von ihm durchgeführt
werden kann. Erfindungsgemäß werden im oberen Teil des Schaftes eines Leichtmetallkolbens
für Brennkraftmaschinen, der ovalen Querschnitt aufweist und mit Querschlitzen versehen
ist, die den Kolbenkopf vom Schaft trennen, ein oder mehrere Ringe vorgesehen, deren
Ausdehnungskoeffizient kleiner ist a 1s der des Kolbenschaftes und die in sich gleichmäßig
gestaltet, geschlossen und mit dem Kolbenschaft fest verankert sind. Die Ringe können
dabei ganz oder teilweise in dem Werkstoff des Schaftes angeordnet sein.
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Es ist zwar nicht mehr neu, in sich geschlossene Ringe von gleichmäßigem
Querschnitt im oberen Teil des Kolbenschaftes vorzusehen, jedoch weist der Schaft
dieser Kolben mindestens einen Längsschlitz auf. Das Steuerungsglied in Form des
vorerwähnten Ringes von kreisrundem Querschnitt ist jedoch gegenüber der Mantelwand
nicht fest, sondern beweglich angebracht. Auf seiner Oberfläche ist er mit einer
Graphithaut versehen, um jede Bindung mit dem Aluminiumkörper der Mantelwand auszuschließen,
dafür aber den beiden durch den Längsschlitz getrennten Schaftteilen des Kolbens
beim Erwärmen die Möglichkeit zu geben, auf dein Regelring zu gleiten, wobei eine
mehr oder weniger vollständige Schließung des Längsschlitzes eintritt. Es wird daher
die durch die Erwärmung bedingte Verformung des Kolbenschaftes durch diese Bewegung
der Schaftteile auf dem Ring und durch das Vorhandensein des Längsschlitzes ausgeglichen.
Eine Verformung des Ringes tritt dabei nicht auf. Der Ring bleibt vielmehr rund,
ganz gleich, ob der Kolbenwerkstoff heiß oder kalt ist.
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Es ist weiterhin nicht mehr neu, zur Steuerung der Wärmeausdehnung
des Kolbenschaftes die Bimetallwirkung zwischen dem Kolbenwerkstoff und einem Metall
mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten, als ihn der letztere aufweist, auszunutzen.
Erreicht ist dies dadurch, daß in der Wandung eines geschlitzten Kolbens ein geschlitzter
Ring oder mehrere Ringteile eingelegt bzw. an seiner Innenwand angeordnet sind.
Der Kolbenquerschnitt ist kreisförmig mit verschieden dicken
Wandstärken
an der Druck- und Gegendruckseite ausgebildet oder weist bei ovaler Querschnittsform
auch einen Längsschlitz auf. Bei der Verwendung von Ringteilen ist eine Verankerung
mittels seitlicher Vorsprünge, die in die Kolbenmantelwand eingreifen, empfohlen
worden. Unter der Einwirkung der Wärme krümmt sich die Einlage und bewirkt eine
Gestaltsänderung des Mantels, derart, daß ein Einziehen der Schaftwand an der Druck-und
Gegendruckseite und ein gleichzeitiges Ausbauchen an den in Richtung der Bolzenach-se
gelegenen Stellen erfolgt.
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Die Ausnutzung der Bimetallwirkung ist jedoch nicht immer befriedigend,
weil die hierdurch erzeugten Verformungen in der Mantelwand des Kolbens schwer vorauszusehen
sind und nicht beherrscht werden können. Es bedarf vielmehr einer langen Versuchsreihe,
nach welcher sorgfältig abgestimmt werden muß, wenn im voraus ein einigermaßen sicheres
Urteil abgegeben werden soll, wie die Gestaltsänderung des Kolbens während des Betriebes
vor sich geht.
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Diese Nachteile an Aufwendung verhältnismäßig hoher Kosten und an
Zeit werden vermieden, wenn der Ring nach Art der Erfindung ausgebildet ist und
bewußt davon abgesehen wird, eine Bimetallwirkung auftreten zu lassen. Bei dem in
sich vollkommen geschlossenen kreisrunden metallischen Steuerglied, das im Werkstoff
des Kolbenschaftes fest verankert ist, wird unter der Einwirkung der Wärme während
des Betriebes und dem damit verbundenen Wärmewachstum des Kolbenschaftes und der
Kolbenbolzenaugen in radialer Richtung der kreisrunde Ring oval verformt, so daß
sein größerer Durchmesser in Richtung des Kolbenbolzens fällt, während eine Verringerung
des Durchmessers in senkrechter Richtung dazu, also auf der Druck- und Gegendruckseite
eintritt.
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Auf .diese Weise gelingt es, die Wärmeausdehnung des Kolbens in der
oberen Schaftpartie zu steuern. Mit der Steuerung kann so weit gegangen werden,
daß ein Wärmewachstum des Kolbenmantels senkrecht zur Kolbenbolzenachse überhaupt
nicht mehr erfolgt. Das gesamte Wärmewachstum wird dann in die Richtung der letzteren
gedrängt.
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Vorteilhaft ist es, aus gießtechnischen Gründen die eingelegten Ringe
aus Stahl oder anderen Eisenlegierungen im Kolbeninneren mit ihren inneren Teilen
frei liegend anzuordnen. Die Ringe können dann auf das außerhalb der Außenkokille
angeordnete Kernpaket in dort vorgesehenen Nuten aufgesetzt und in denselben beim
Gießen unverrückbar festgehalten werden. Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel.
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Abb. i zeigt einen Querschnitt durch einen Tauchkolben in axialer
Richtung; Abb. 2 veranschaulicht zum Teil die Ansicht auf den Kolben von unten,
zum Teil im Querschnitt durch den eingelegten Ring.
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Der Kolben einer Brennkraftmaschine besteht aus dem Kopf a und dem
Schaft b. Beide Teile sind durch Schlitze c voneinander, getrennt. Die Verbindung
zwischen a und b wird durch Rippen d
am Kolbenkopf hergestellt.
Sie verlaufen längs der Kolbenbolzenachse und setzen sich bis zu den Kolbenbolzenaugen
e fort. In der oberen Schaftpartie ist ein kreisrunder, in sich geschlossener Ring
f aus Eisen oder irgendeiner Eisenlegierung eingelegt, der zur Steuerung der Gestaltsänderung
des Schaftes während des im Betrieb befindlichen Kolbens dient. Zweckmäßig ist es,
den Ring mit seitlichen Vorsprüngen g zu versehen, mit denen er in der Mantelwand
verankert ist.