EP0007661B1 - Gebauter, flüssigkeitsgekühlter Kolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents
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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 , is arranged on an opposite support surface of the lower part via a concentric arranged intermediate ring made of a ferrous support collar such that the support collar and the intermediate ring both the radial inner boundary of the annular cooling channel located in the upper part in the area behind the top land and at least part of the ring section form as well as include a central, upwardly open cooling space connected to the cooling channel via radially arranged coolant bores.
- 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.
- This object is achieved in that the intermediate ring is clamped between the support surface of the support collar and the opposite support surface of the lower part and in that the mutually opposite support surfaces of the support collar and intermediate ring are designed such that they can be rolled over one another over the entire circumference or the opposite support surfaces with a circular cross section are designed to slide are supported on each other.
- one or both of the opposing contact surfaces of the support collar and intermediate ring can be hardened, chrome-plated, nitrided or surface-treated in some other way.
- the intermediate ring In order to center the intermediate ring, it is either inserted in a concentric recess in the lower piston part or provided on its lower inner or outer edge with a circumferential centering lug which rests on a concentric recess in the lower piston part.
- the intermediate cross section of the intermediate ring can be rectangular, trapezoidal or similar.
- its axially extending side surfaces can be concave.
- An internal combustion engine piston in which a cross-sectionally fork-shaped intermediate ring is arranged between the steel upper part and the light metal lower part, the foot part of which is screwed to the lower part and the fork part of which is screwed to the upper part (DE-R-2 230 722 and US-A-3 877 351).
- this piston is only about a favorable arrangement of the screw elements connecting the individual components.
- 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 intermediate 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.
- the bearing surface 12 of the support collar 13, which is circular in cross-section, is supported in a sliding manner on the opposite bearing surface 18 of the intermediate ring 15, which is in the form of a circular cross section.
- the cooling channel and the cooling space are connected to one another via the coolant bores 21 and 22, respectively.
- 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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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 bestehendes Oberteil über Schrauben verbunden und bei dem auf der Unterseite des Oberteils ein konzentrisch verlaufender, an einer gegenüberliegenden Auflagefläche des Unterteils über einen aus einem Eisenwerkstoff bestehenden konzentrisch angeordneten Zwischenring anliegender Abstützbund derart angeordnet ist, daß der Abstützbund und den Zwischenring sowohl die radiale innere Begrenzung des im Oberteil im Bereich hinter dem Feuersteg und wenigstens einem Teil der Ringpartie befindlichen ringförmigen Kühlkanals bilden als auch einen zentralen, mit dem Kühlkanal über radial angeordnete Kühlmittelbohrungen verbundenen, nach oben offenen Kühlraum einschließen.
- 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 dadurch, daß der Zwischenring zwischen der Auflagefläche des Abstützbundes und der gegenüberliegenden Auflagefläche des Unterteils eingeklemmt ist und daß die einander gegenüberliegenden Auflageflächen von Abstützbund und Zwischenring über den gesamten Umfang aufeinander abwälzbar gestaltet oder die einander gegenüberliegenden, im Querschnitt kreisabschnittförmig gestalteten Auflageflächen gleitend aufeinander abgestützt sind.
- Durch diese Maßnahme laufen die durch Temperatur und Gasdruck hervorgerufenen Bewegungen im Bereich der von Abstützbund und Zwischenring gebildeten Verbindungsebene ab, so daß an der Auflagefläche des aus einer Aluminium-Kolbenlegierung bestehenden Kolbenunterteils keine Verschleißerscheinungen bzw. Deformationen verursacht werden können.
- Dabei ist es möglich, die Größe der Krümmung der einander gegenüberliegenden 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 Zwischenring gehärtet, verchromt, nitriert oder in anderer Weise oberflächenbehandelt sein.
- Um den Zwischenring 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 Zwischenring kann in seinem wesentlichen Querschnitt rechteckig, trapezförmig oder ähnlich gestaltet sein. Zusätzlich können seine axial verlaufenden Seitenflächen konkav sein.
- Bekannt ist zwar ein Brennkraftmaschinenkolben, bei dem zwischen dem aus Stahl bestehenden Oberteil und dem aus Leichtmetall bestehenden Unterteil ein im Querschnitt gabelförmiger Zwischenring angeordnet ist, dessen Fußteil mit dem Unterteil und dessen Gabelteil mit dem Oberteil verschraubt sind (DE-R-2 230 722 und US-A-3 877 351). Bei diesem Kolben geht es jedoch nur um eine günstige Anordnung der die einzelnen Bauteile miteinander verbindenden Schraubelemente.
- Die Erfindung ist in den nachfolgend erläuterten Zeichnungen beispielhaft dargestellt:
- Bei dem in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellten Längsschnitt 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 Abstütztbundes 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 Zwischenring 7 eingeklemmt. Die der Auflagefläche 3 gegenüberliegende Auflagefläche 8 des Stahlzwischenrings 7 ist ballig gekrümmt und auf der Auflagefläche 3 abwälzbar. Dieser Kolben kann in der Weise abgewandelt sein, daß die einander gegenüberliegenden, im Querschnitt kreisabschnittförmig gestalteten Auflageflächen 3, 8 des Zwischenrings 7 und des Abstützbundes 4 gleitend aufeinander abgestützt sind (Fig. 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 Stahlzwischenring 15 eingeklemmt, wobei die an seiner unteren Außenkante angeordnete Zentriernase 16 an der Eindrehung 17 des Kolbenunterteils 11 anliegt. Die im Querschnitt kreisabschnittförmige Auflagefläche 12 des Abstützbundes 13 stützt sich gleitend auf der gegenüberliegenden, im Querschnitt kreisabschnittförmig gestalteten Auflagefläche 18 des Zwischenrings 15 ab. Der Kühlkanal und der Kühlraum sind über die Kühlmittelbohrungen 21 bzw. 22 miteinander verbunden.
- Unterschiedlich zu Fig. 3 ist, in Fig. 4 der zwischen dem Abstützbund 13 und dem Unterteil 11 eingeklemmte Zwischenring 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.
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