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Kolben mit vorzugsweise hohler Kolbenstange für Dampfmaschinen, insbesondere
für Lokomotivdampfmaschinen -Die Erfindung bezieht sich auf Kolben mit vorzugsweise
hohler Kolbenstange für Dampfmaschinen, insbesondere für Lokomotivdampfmaschinen.
Bei den bekannten Lokomotivdampfmaschinen ist der Kolben ein aus Stahl geschmiedeter
oder gepreßter rotationssymmetrischer Körper mit meist Z-förmigem Ringprofil. Der
Kolben ist auf die im wesentlichen zylindrische und massive Kolbenstange aufgepreßt
und wird zwischen einem auf der Kolbenstange vorgesehenen Ringbund und einer nach
dem Anziehen vernieteten Mutter in seiner Lage gehalten. Der hauptsächliche Mangel
dieser Ausführung ist in dem hohen Gewicht bzw. den großen hin und her gehenden
Massen zu sehen, die, da sie nur zum Teil durch die an den Treibrädern angeordneten
Gegengewichte ausgeglichen werden können, insbesondere bei Zweizylindermaschinen
das unerwünschte Zucken bzw. Drehen der Lokomotive hervorrufen. Um diesem Übelstand
abzuhelfen; ist auch schon vorgeschlagen worden, Kolben und Kolbenstange als Baueinheit
in Schweißkonstruktion auszuführen, wobei die Kolbenstange hohl ausgebildet ist.
Da jedoch Kolben und Kolbenstange aus Stahl sind, läßt sich aus Festigkeitsgründen
ein gewisses Mindestgewicht nicht unterschreiten. Aus diesen genannten Gründen werden
im Verbrennungsmotorenbau die Kolben aus Leichtmetall hergestellt. Diese Kolben
sind indessen über einen Kolbenbolzen od. dgl. mit der Pleuelstange gelenkig verbunden,
so daß hinsichtlich des Aufbaues im Vergleich mit den Dampfmaschinenkolben ganz
andere Verhältnisse vorliegen.
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Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, Kolben
sowie Kolbenstange so auszubilden, daß -die hin und her gehenden Massen
auch
bei Kolbendampfmaschinen noch weiter vermindert werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß der Kolben in an
sich bekannter Weise aus .einem Leichtmetall besteht und mit der hohlen Kolbenstange
durch Gießen oder Pressen unmittelbar und formschlüssig verbunden ist. Es ist zwar
bei Kolben von Verbrennungskraftmaschinen schon bekanntgeworden, ein Kopfteil aus
Leichtmetall mit einem Schaft aus Grauguß durch Gießen zu verbinden. Diese Maßnahmen
können jedoch für die Ausbildung von Dampfmaschinenkolben und Kolbenstangen gemäß
der Erfindung kein Vorbild sein, weil es hierbei nicht auf die Verbindung von Kolbenboden
und Kolbenschaft, sondern auf die Verbindung von Kolben und Kolbenstange ankommt.
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Die sich aus der Ausbildung des Kolbens gemäß der Erfindung ergebenden
Vorteile sind nicht nur in der schraubenlosen, formschlüssigen Verbindung, sondern
insbesondere in einer noch erheblich-weitgehenderen Gewichtsverminderung von Kolben
und Kolbenstange und damit in der Verminderung der hin und her gehenden Massen zu
sehen. Durch letztere wird es möglich, den bei Lokomotiven durch die Größe des Raddruckes
- die durch die Fliehkraft des Gegengewichtes am Treibrad hervorgerufene Entlastung
darf nur einen Bruchteil des Raddruckes betragen - begrenzten Massenausgleich beträchtlich
zu verbessern, da durch die Gewichtsverminderung ein unmittelbares Abnehmen der
freien Massenkräfte erzielt wird. Ferner wird dadurch die. Abnutzung von Kolbenstange,
Trag-und Stopfbüchsen bedeutend verringert. Außerdem werden das Kreuzkopf- und Treibstangenlager,
die vornehmlich zum Heißlaufen neigen, wesentlich entlastet und dadurch betriebssicherer.
Durch die schraubenlose formschlüssige Verbindung zwischen Kolben und Kolbenstange
wird außer einer Ersparnis an Herstellungskosten, vor allem durch die vollkommen
satte und dichte Auflage des Kolbens auf der Kolbenstange, eine Korrosion zwischen
dem Leichtmetall des Kolbens und dem Stahl der Kolbenstange weitgehend vermieden
und die nicht zu umgehenden Korrosionsstellen so angeordnet, daß kein Schaden entstehen
kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch die besondere Ausbildung
der Enden der Kolbenstangenteile'und der Verbindung derselben im Bereich der Kolbennabe
die Spannungen jeweils so ausgeglichen werden, daß auch bei der verschieden großen
Ausdehnung des Leichtmetallkolbens und der stählernen Kolbenstange eine feste, formschlüssige,
die, Kraftübertragung ermöglichende Verbindung gegeben ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
ausgebildeten Kolbens mit Kolbenstange dargestellt. Hierbei besteht der Kolben i
aus Leichtmetall, vorzugsweise aus einer warmfesten Leichtmetallegierung, und die
Kolbenstange 2, 3 aus Stahl. Die Kolbenstange 2, 3 ist hohl ausgebildet und aus
zwei gleichachsig liegenden Teilen 2 und 3 zusammengeschweißt. Der mit dem Kreuzkopf
verbundene, die Kolbenkräfte übertragende Teil 2 der Kolbenstange 2; 3 weist einen
größeren. Durchmesser 'auf als der lediglich zum Tragen und Fülireri -des Kolbens
i vorgesehene zweite Teil 3 der Kolbenstange 2, 3. Beide Teile 2 und 3 der Kolbenstange
2, 3 sind an den zu verschweißenden Enden trichterförmig mit progressiv nach dem
Ende zunehmendem Durchmesser auf annähernd gleichen Durchmesser aufgeweitet und
mit .'einem gleichachsigen, dazwischenliegenden Ring q., dessen Außendurchmesser
größer ist als der größte Außendurchmesser der aufgeweiteten Enden der Kolbenstangenteile
2, 3, durch jeweils eine ringförmige Stumpfnaht 5 verschweißt. Dazu sind die Stirnseiten
der aufgeweiteten Enden der Kolbenstangenteile 2 und 3 nach innen angeschärft und
gegebenenfalls, wenn die Zentrierung nicht auf andere Weise erzielt Wird, ebenso
wie der Ring q. mit nicht dargestellten Zentrierbunden zu versehen.
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Die Verbindung der Kolbenstangenteile 2 und 3 mit dem Ring q. kann
aber ebensogut in an sich bekannter Weise auch durch Abbrennschweißen erfolgen.
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Die im Bereich der Nabe 6 des Kolbens i liegenden Wandungsteile der
Kolbenstangenteile 2 und 3 sind nach außen etwa um die Tiefe der darin vorgesehenen
Nuten 7 verstärkt, um eine Schwächung der Kolbenstangenteile 2 und 3 zu vermeiden.
Gleichzeitig ist jeweils auf den von den Stumpfnähten 5 abliegenden Enden der Wandungsverstärkung
der Kolbenstangenteile 2 und 3 ein Ring 8 vorgesehen, `der mittels einer Rundnaht
9 mit dem zugehörigen Kölbenstangenteil 2 oder 3 verbunden ist. Zwischen diesen
Ringen 8 wird dann der Kolben i durch Umgießen öder durch Pressen des auf die fertiggeschweißte
Kolbenstange 2, 3 geschobenen Kolbenrohlings unmittelbar und formschlüssig mit der
Kolbenstange 2, 3 verbunden. Vorteilhaft wird die Kolbenstange 2, 3 in der Gieß-
oder Preßform genau zentriert, um eine möglichst genaue Lage des Kolbens i auf der
Kolbenstange 2, 3 zu erreichen. Der Kolben i weist das übliche Z-förmige Ringprofil,
jedoch mit etwas vergrößerter Nabenlänge auf. Nach dem Aufbringen des Kolbens i
erfolgt die Fertigbearbeitung von Kolben i und Kolbenstange 2, 3 nach den üblichen
Arbeitsmethoden. Um Kerbwirkungen im Kolben i bzw. in der Kolbenstange2, 3 zu vermeiden
und um' eine gute formschlüssige Verbindung zwischen den zu verbindenden Teilen
zu erzielen, werden die Nuten 7 im Grunde und an den Kanten und der Ring q. an seiner
äußeren Zylindermantelfläche gut abgerundet.