EP0007661A1 - Gebauter, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Gebauter, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen Download PDF

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    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a built, liquid-cooled piston for internal combustion engines, in particular for medium-speed diesel engines, the lower part of which consists of a eutectic aluminum-silicon alloy and which is connected to the upper part made of an iron material by means of screws and in which a concentrically extending part on the underside of the upper part , on an opposite support surface of the lower part of the support collar is arranged in such a way that the support collar forms both the radial inner boundary of the ring-shaped cooling channel, which is located in the upper part behind the top land and at least part of the ring section, and which is open to the connecting plane, and a central one, with the cooling channel via radial arranged coolant holes connected, open to the connection level cooling space in the upper part.
  • Cast or forged steel is a suitable material for the piston head, as is nodular cast iron with its strength values similar to those of steel.
  • the piston lower part which consists of a shaft and a pin hub, can be made of a cast or forged aluminum piston alloy. Both components are connected to each other via tie rods or screws.
  • Such two-part pistons all require cooling, preferably by means of a cooling oil.
  • a ring consisting of an iron material, which is clamped in concentrically between the support surface of the support collar and the opposite support surface of the lower piston part, the opposite support surfaces of the support collar and the clamped ring running all the way round. are designed to be mutually transferable.
  • One embodiment of the invention consists in that one of the opposing support surfaces is curved outward, in particular in the form of a spherical or circular segment.
  • the support surface opposite the outwardly curved support surface of the clamped ring or support collar preferably has a corresponding recess.
  • one or both of the opposing contact surfaces of the support collar and the clamped ring can be hardened, chrome-plated, nitrided or otherwise surface-treated.
  • the clamped ring In order to center the clamped ring, it is either inserted in a concentric recess in the lower part of the piston or provided on its lower inner or outer edge with a circumferential centering lug which rests on a concentric recess in the lower part of the piston.
  • the clamped ring can be rectangular, trapezoidal or similar in its essential cross-section. In addition, its axially extending side surfaces can be concave.
  • FIG 3 shows a section of a longitudinal section through the upper part of a piston formed from an upper part 10 made of spheroidal graphite cast iron and a lower part 11 made from an aluminum piston alloy.
  • the trapezoidal steel ring 15 is clamped between the support surface 12 of the support collar 13, which is circular in cross section, and the support surface 14 of the lower part 11, the centering nose 16 arranged on its lower outer edge abutting the recess 17 of the lower piston part 11.
  • a recess is made in the opposite support surface 18 of the clamped ring 15.
  • the advantages achieved by the invention are that no wear and tear can be detected on the bearing surface of the lower piston part even after a comparatively long piston life.

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Abstract

Bei einem gebauten, flüssigkeitsgekühlten Kolben besteht der Kolbenschaft (2, 11) aus einer Aluminiumlegierung und der Kolbenkopf (1, 10) aus einem Eisenwerkstoff, wobei sich aus der Unterseite des Kolbenkopfes (1, 10) ein an der korrespondierenden Auflagefläche (5, 14) des Kolbenschaftes (2, 11) anliegender Abstützbund (4, 13) befindet, der die radiale innere Begrenzung des offenen ringförmigen Kühlkanals im Kolbenkopf (1, 10) bildet und der den zur Verbindungsebene der beiden über Schrauben miteinander verbundenen Bauteile offenen Kühlraum einschließt. Um Verschleiß bzw. Derformationen im Bereich der Auflagefläche (5, 14) des Kolbenschaftes (2, 11) zu verhindern, ist zwischen dem Abstützbund (4, 13) des Kolbenkopfes und der Auflagefläche (5, 14) des Kolbenschaftes (2, 11) ein aus einem Eisenwerkstoff bestehender Ring (7, 15) konzentrisch eingeklemmt, wobei die gegeneinander liegenden Flächen von Abstützbund (4, 13) und eingeklemmtem Ring (7, 15) umlaufend aufeinander abwälzbar gestaltet sind.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen gebauten, flüssigkeitsgekühlten Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für mittelschnellaufende Dieselmotoren, dessen aus einer eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehendes Unterteil mit dem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Oberteil über Schrauben verbunden und bei dem auf der Unterseite des Oberteils ein konzentrisch verlaufender, an einer gegenüberliegenden Auflagefläche des Unterteils anliegender Abstützbund derart angeordnet ist, daß der Abstützbund sowohl die radiale innere Begrenzung des im Oberteil hinter dem Feuersteg und wenigstens einem Teil der Ringpartie befindlichen zur Verbindungsebene offenen ringförmigen Kühlkanals bildet als auch einen zentralen, mit dem Kühlkanal über radial angeordnete Kühlmittelbohrungen verbundenen, zur Verbindungsebene offenen Kühlraum im Oberteil einschließt.
  • Für hohe und höchste-Belastung ist ein Einsatz solcher zweiteiliger Kolben unumgänglich, die in verschiedenen Kombinationen herstellbar sind. Als Werkstoff für den Kolbenkopf bietet sich gegossener oder geschmiedeter Stahl an, ebenso Sphäroguß mit seinen dem Stahl ähnlichen Festigkeitswerten. Das aus Schaft und Bolzennabe bestehende Kolbenunterteil kann aus einer gegossenen oder geschmiedeten Aluminium-Kolbenlegierung sein. Beide Bauteile sind über Zuganker oder Schrauben miteinander verbunden. Solche zweiteiligen Kolben verlangen alle eine Kühlung, vorzugsweise mittels eines Kühlöls.
  • Seit der Verwendung zweiteiliger Kolben, deren Oberteil aus Stahl oder Sphäroguß und deren Unterteil aus-einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehen, sind zwischen Kolbenoberteil und Kolbenunterteil an der Auflagefläche des Abstützbundes am Kolbenunterteil Verschleißerscheinungen zu beobachten, die insbesondere im Außenbereich der Auflagefläche und um die Spannschrauben herum auftreten. Dieser Verschleiß wird durch radiale und axiale Bewegungen der in der Verbindungsebene gegeneinanderliegenden Auflageflächen der beiden Kolbenbauteile verursacht. Diese Bewegungen, die durch den durch die Deformation des Kolbenoberteils infolge Temperatur und Gasdruck bewirkten Krempeleffekt hervorgerufen werden, bewirken nicht nur einen Verschleiß, sondern beinhalten auch die Gefahr einer plastischen Deformation des Kolbenunterteils mit nachfolgender Rißbildung und Materialabscherung in sich. Darüber hinaus nähern sich bei der plastischen Deformation die Auflageflächen der beiden Kolbenbauteile, wodurch die Verspannung der Schrauben bzw. Zuganker herabgesetzt wird.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Kolben so zu gestalten, daß auch nach vergleichsweise langen Kolbenlaufzeiten kein merkbarer Verschleiß und/oder eine Deformation im Bereich der Auflagefläche des Kolbenunterteils erkennbar sind.
  • Gelöst ist diese Aufgabe durch einen zwischen der Auflagefläche des Abstützbundes und der gegenüberliegenden Auflagefläche des Kolbenunterteils konzentrisch eingeklemmten, aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Ring, wobei die einander gegenüberliegenden Auflageflächen von Abstützbund und eingeklemmtem Ring umlaufend. aufeinander abwälzbar gestaltet sind.
  • Durch diese Maßnahme laufen die durch Temperatur und Gasdruck hervorgerufenen Bewegungen in der von Abstützbund und eingeklemmtem Ring gebildeten Verbindungsebene ab, so daß an der Auflagefläche des aus einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehenden Kolbenunterteils keine Verschleißerscheinungen bzw. Deformationen verursacht werden können.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß eine der einander gegenüberliegenden Auflageflächen bogenförmig, insbesondere ballig-oder kreisabschnittförmig nach außen gekrümmt ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise weist die der nach außen gekrümmten Auflagefläche gegenüberliegende Auflagefläche vom eingeklemmten Ring oder Abstützbund eine korrespondierende Ausnehmung auf.
  • Dabei ist es möglich, die Größe der Krümmung der beiden Auflageflächen voneinander abweichend zu gestalten, um so bei steigender Belastung weitere Bereiche als wirksame Auflagefläche zu erfassen und damit den Aufbau der spezifischen Flächenpressung zu steuern.
  • Als zusätzliche Maßnahme zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes können eine oder beide der gegeneinanderliegenden Auflageflächen von Abstützbund und eingeklemmtem Ring gehärtet, verchromt, nitriert oder in anderer Weise oberflächenbehandelt sein.
  • Um den eingeklemmten Ring zu zentrieren, ist dieser entweder in einer im Kolbenunterteil angebrachten konzentrischen Eindrehung eingesetzt oder an seiner unteren Innen- bzw. Außenkante mit einer umlaufenden Zentriernase versehen, die an einer konzentrischen Eindrehung des Kolbenunterteils anliegt. Der eingeklemmte Ring kann in seinem wesentlichen Querschnitt rechteckig, trapezförmig oder ähnlich gestaltet sein. Zusätzlich können seine axial verlaufenden Seitenflächen konkav sein.
  • Die Erfindung ist in den nachfolgend erläuterten Zeichnungen beispielhaft dargestellt.
  • Bei dem in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellten Längs-. schnitt durch den oberen Bereich eines aus einem Stahloberteil 1 und einem aus einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehenden Unterteil 2 gebildeten Kolbens, ist zwischen der planparallel verlaufenden Auflagefläche 3 des Abstützbundes 4 und der planparallel verlaufenden Auflagefläche 5 des Unterteils 2 ein über die an seiner unteren Innenkante befindliche, an der Eindrehung 9 anliegende Zentriernase 6 konzentrisch eingesetzter trapezförmiger Ring 7 eingeklemmt. Die der Auflagefläche 3 gegenüberliegende Auflagefläche 8 des Stahlrings 7 ist ballig gekrümmt. Dieser Kolben kann in der Weise abgewandelt sein, daß die der ballig gekrümmten Auflagefläche 8 gegenüberliegende Auflagefläche 3 des Abstützbundes 4 eine der Balligkeit entsprechende Ausnehmung besitzt.(Big. 2).
  • In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Längsschnitts durch den oberen Teil eines aus einem aus Gußeisen mit Kugelgraphit bestehenden Oberteils 10 und eines aus einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehenden Unterteils 11 gebildeten Kolbens wiedergegeben. Zwischen der im Querschnitt kreisabschnittförmigen Auflagefläche 12 des Abstützbundes 13 und der Auflagefläche 14 des Unterteils 11 ist der trapezförmige Stahlring 15 eingeklemmt, wobei die an seiner unteren Außenkante angeordnete Zentriernase 16 an der Eindrehung 17 des Kolbenunterteils 11 anliegt. Korrespondierend zu der im Querschnitt kreisabschnittförmigen Auflagefläche 12 des Abstützbundes 13 ist in der gegenüberliegenden Auflagefläche 18 des eingeklemmten Ringes 15 eine Ausnehmung angebracht.
  • Unterschiedlich zu Fig. 3 ist in Fig. 4 der zwischen dem Abstützbund 13 und dem Unterteil 11 eingeklemmte Ring 19 in eine Eindrehung 20 des Unterteils 11 eingesetzt.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß an der Auflagefläche des Kolbenunterteils keine Verschleißerscheinungen auch nach vergleichsweise langer Kolbenlaufzeit feststellbar sind.

Claims (7)

1. Gebauter, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für mittelschnellaufende Dieselmotoren, dessen aus einer eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bestehendes Unterteil mit dem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Oberteil über Schrauben verbunden und bei dem auf der Unterseite des Oberteils ein konzentrisch verlaufender, an einer gegenüberliegenden Auflagefläche des Unterteils anliegender Abstützbund derart angeordnet ist, daß der Abstützbund sowohl die radiale innere Begrenzung des im Oberteil im Bereich hinter dem Feuersteg und wenigstens einem Teil der Ringpartie befindlichen zur Verbindungsebene der beiden Kolbenbauteile offenen ringförmigen Kühlkanal bildet als auch einen zentralen, mit dem Kühlkanal über radial angeordnete Kühlmittelbohrungen verbundenen, zur Verbindungsebene der beiden Kolbenbauteile offenen Kühlraum einschließt, gekennzeichnet durch einen zwischen der Auflagefläche (3, 12) des Abstützbundes (4, 13) und der gegenüberliegenden Auflagefläche (5, 14) des Unterteils (2, 11) konzentrisch angeordneten eingeklemmten, aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Ring (7, 15, 19), wobei die einander gegenüberliegenden Auflageflächen von Abstützbund und eingeklemmtem Ring umlaufend aufeinander abwälzbar gestaltet sind.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der einander gegenüberliegenden Auflageflächen (3, 12) von Abstützbund (4, 13) und eingeklemmtem Ring (7, 15, 19) bogenförmig, insbesondere ballig oder kreisabschnittförmig, nach außen gekrümmt ist.
3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der der nach außen gekrümmten Auflagefläche (3, 12) von Abstützbund (4, 13) oder eingeklemmtem Ring (7, 15, 19) gegenüberliegenden Auflagefläche (8, 18) eine korrespondierende Ausnehmung angebracht ist.
4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Krümmung der beiden Auflageflächen (3, 12, 8, 18) voneinander abweicht.
5. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der einander gegenüberliegenden Auflageflächen (3, 12, 8, 18) von Abstützbund (4, 13) und eingeklemmtem Ring (7, 15, 19) durch Härten, Verchromen, Nitrieren oder dergleichen oberflächenbehandelt ist.
6. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeklemmte Ring (7, 15, 19) in eine im Kolbenunterteil (11) angebrachte konzentrische Eindrehung (20) eingesetzt ist.
7. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeklemmte Ring (7, 15, 19) an seiner unteren Innen- oder Außenkante eine umlaufende Zentriernase (6, 16) aufweist, die an einer konzentrischen Eindrehung (9, 17) des Kolbenunterteils anliegt.
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