EP0030399B1

EP0030399B1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: EP0030399B1
Application number: EP80201071A
Authority: EP
Inventors: Werner Steidle
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1984-03-28
Also published as: US4354426A; DE3067288D1; DE2949091A1; BR8007985A; EP0030399A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben mit jeweils einem in den tragenden Kolbenschaftflächen in Höhe der Bolzennaben angebrachten Querschlitz.
Der Leichtmetallkolben als Ubertragungselement der thermischen in mechanische Energie ist im modernen Brennkraftmaschinenbau heute nicht mehr wegzudenken. An einen solchen Kolben werden eine Vielzahl Anforderungen bei allen Betriebszuständen gestellt. Immer ist es das Ziel, mit dem Leichtmetallkolben trotz der sehr unterschiedlichen Wärmedehnungszahl des Kolbenwerkstoffs gegenüber Grauguss-Zylindern eine gute Geradführung zu erreichen.
Allen derartigen Kolbenkonstruktionen liegt der Gedanke zugrunde, mit Hilfe von dehnungshemmenden Stahleinlagen die unerwünschte thermische Durchmesservergrösserung des Kolbens zu verhindern und das Kolbenspiel in Druck- und Gegendruckrichtung unter möglichst allen Betriebsbedingungen dem Durchmesser des Zylinders anzupassen. Dieser Vorgang wird als Regelwirkung-bezeichnet.
Der Zylinder der Brennkraftmaschine verformt sich unter der thermischen Belastung und den einwirkenden Gasdrücken in radialer und achsialer Richtung und behält kaum seine zylindrische Form bei. Diesen Deformationen muss der Kolben folgen und durch Spiel und Elastizität eine Anpassung ermöglichen, wobei sich zu hohe Elastizitäten jedoch nachteilig auswirken.
Bei einer Belastung der Oberkante verformt sich diese und gleichzeitig verformt sich auch die Unterkante in erhöhtem Masse, wodurch die Steifigkeit des Kolbenschafts beeinträchtigt wird. Unter Schaftsteifigkeit wird der Widerstand gegen -die. Verformung des Kolbenschafts unter Krafteinwirkung verstanden. Bei einem Kippen des Kolbens um die Oberkante wird das Betriebsspiel der Unterkante um diesen zusätzlichen Einfederungsbetrag durch die Belastung der Oberkante grösser. Damit erhöht sich gleichzeitig der Kolbenschrägstand, so dass Kopfaneinwirkenden Gasdrücken in radialer und axia-Kippen um die Schaftunterkante. Diesen Nachteil schlagen als auch erhöhte Schaftgeräusche mogweist auch der aus der US-A-2 309 555 bekannte Leichtmetallkolben auf, dessen tragende Kolbenschaftflächen jeweils mit einem sich über 90° des Schaftumfangs erstreckenden Querschlitz versehen sind:
Bei herkömmlichen Regelkolben tritt der vorstehend erläuterte Effekte verstärkt auf, da die Verformung von der steifen Schaftoberkante in überhöhtem Masse an die elastischere Schaftunterkante übertragen wird.
Die Regelcharakteristik des Kolbens ist durch den Ausdehnungskoeffizient und das Temperaturgefälle zwischen Kolbenkopf und -schaft bestimmt. Ausdehnungskoeffizient und Temperaturgefälle sind für jeden Kolbentyp unterschiedlich und werden durch konstruktive und motorspezifische Massnahmen beeinflusst.
Das Zusammenwirken von Kolbenspiel, Regelwirkung und Schaftverformung ist entscheidend für die, Geradführung des Kolbens. Stets ist dabei zu beachten, dass ein Kompromiss zwischen den Anforderungen ausreichender Gestaltfestigkeit, Laufruhe, Fresssicherheit, Ölverbrauch, Reibleistung und Gewicht geschlossen werden muss, weil sich Steifigkeit und Regelwirkung zum Teil gegenseitig beeinflussen.
Das Laufverhalten eines Kolbens wird im wesentlichen vom Spielverhalten in der Betriebsphase bestimmt. Es ist deshalb vorrangig, einen Kolben einsetzen zu können, der in allen Betriebsphasen nahezu gleiches Spielverhalten aufweist.
Hierzu werden Regelkolben eingesetzt, mit denen die natürliche Ausdehnung am Schaft in Laufrichtung verringert wird. Bekannt sind dafür Kolben, die über einen Querschlitz den Kopf und das Ringfeld vom Schaft trennen und die teilweise zusätzlich eine Stahleinlage am Schaft aufweisen. Solche Konstruktionen erfüllen die Regelfunktion befriedigend, können jedoch wegen unzulänglicher Gestaltfestigkeit nur begrenzt eingesetzt werden.
Für höher belastete Motoren werden aus Festigkeits- und Temperaturgründen Regelkolben mit Stahleinlagen eingesetzt, die durch keinen Querschlitz zwischen Schaftoberkante und Ringfeld getrennt sind. Bei diesen Konstruktionen haben sich als Nachteile herauskristallisiert, dass entweder eine schlechte Regelwirkung erreicht wird oder bei örtlich befriedigender Regelwirkung starke Regelwertunterschiede zwischen 'Schaftober- und Schaftunterkante auftreten. Insbesondere bei ring- oder bandförmigen Einlagen im Bereich des oberen Endes des Schaftes wird am unteren Schaft sogar eine Umkehr der Regel- ^_ wirkung festgestellt, d.h., dass sich grössere Ausdehnungswerte einstellen als dies durch die natürliche Ausdehnung des Grundwerkstoffs gegeben ist. Bei all diesen Konstruktionen ist eine getrennte Steuerung der Regelwirkung von Schaftoberkante und Schaftunterkante nicht möglich.
Damit solche Kolben bei Vollast fresssicher ausgelegt werden können, erfolgt in der Regel eine örtlich stärkere Zurücknahme der Schleifkurve, oder es wird ein grösseres Einbauspiel vorgesehen, als dies bei geschlitzten Regelkolben der 'Fall ist. Dies führt zu einer Spielvergrösserung bei Kaltstart und Teillast, was sich nachteilig auf Geradführungsverhalten und Kolbengeräusch auswirkt. (Aufgabe eines guten Regelkolbens ist es, minimale Spiele über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich aufzuweisen). Das günstigere Spielverhalten eines Regelkolbens mit Stahleinlagen führt gegenüber einem Aluminium-Einmetallkolben zu Mehrgewicht. Das Kolbengewicht wird jedoch wegen eines erforderlichen Masseausgleichs immer mehr begrenzt. Als weitere Aufgabe ist deshalb die Forderung leichter Regelkolben zu erfüllen.
Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, dass durch Reduzierung der Kolbenschaftfläche Reibleistungsverluste des Motors um 3 bis 5°/o der Nutzleistung verringert werden können.
Diese Gesichtspunkte haben zu der Aufgabenstellung geführt, nach der

- eine getrennte Regelung des Ausdehnungskoeffizienten von Kolbenschaftober- und -unterkante mit der Möglichkeit, gezielte Ausdehnungskoeffizienten an Schaftober- und
-unterkante einzustellen, geschaffen;
- eine direkte Verformungsweitergabe zwischen Kolbenschaftober- und -unterkante verhindert
- und die Schaftfläche zwischen Schaftober-und -unterkante reduziert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, dass sich der im Kolbenschaft in Höhe der Bolzennaben angebrachte, jeweils von Bolzennabe zu Bolzennabe umlaufende Querschlitz von den tragenden Bereichen der Kolbenschaftflächen aus zu den Bolzennaben hin in den oberen und unteren Kolbenschaftteil hinein erweitert, der untere Schaftteil nur mit den Bolzennaben verbunden ist und im oberen Kolbenschaftteil ein Regelglied angeordnet ist. Im Bereich dertragenden Kolbenschaftflächen sind damit der obere und der untere Teil des Kolbenschafts als gleitschuhartige Lappen und somit die Schaftführung zweiteilig ausgeführt. Durch die Anordnung des Regelgliedes wird eine optimale Regelwirkung ezielt.
Damit die Seitenkräfte von dem unteren Kolbenschaftteil aufgenommen werden können, ist dieser auf der Innenseite mit einem vesteifenden Bund ausgestattet.
Bei der vorgeschlagenen Ausführung werden die Ausdehnungen der Schaftoberkante durch ein Regelglied und die der Schaftunterkante über die Temperaturregelung gesteuert. Der di-, rekte Wärmefluss zur Schaftunterkante ist unterbrochen. Eine Wärmespeisung erfolgt nur über die Bolzennabe. Die Nabentemperatur ist deshalb wesentlich höher als die Schafttemperatur der Unterkante. Die Regelwirkung beruht aufgrund der Temperaturunterschiede in einer Ebene auf der erhöhten Ausdehnung in B^qlzenrich- tung.
Durch die erfindungsgemässe Gestaltung des Kolbenschafts wird bei Belastung seiner Oberkante die Unterkante bzw. bei Belastung der Unterkante die Oberkante des Kolbenschafts nicht mitverformt. Das Betriebsspiel der Unterkante wird demnach bei Belastung der Oberkante nicht zusätzlich vergrössert, wodurch eine bessere Schaftführung und damit ein günstigerer Ölverbrauch gewährleistet sind.
Da die axiale Länge des oberen Teils des Kolbenschafts relativ kurz ist, kann auch die Höhe des Regelglieds gegenüber den bisherigen Regelkolben-Konstruktionen kürzer ausgebildet sein, was zu einer zusätzlichen Gewichtseinsparung führt.
Ferner werden an der Oberkante des Kolbenschafts bessere Regelwerte erzielt.
Insgesamt kann durch konstruktive Variierung der Wandstärken der Kolbenschaftteile jeder gewünschte Regelwert an Oberkante und Unterkante eingestellt werden. Eine Umkehr des Ausdehnungskoeffizienten wird vermieden.
Eine aufgerichtete Schleifkurve mit guten Geradführungseigenschaften ist die Konsequenz. Der erfindungsgemäss ausgebildete Kolbenschaft lässt sich bei Segmentstreifen-, Ringstreifen-, Bandstreifen- als auch bei Kolben mit Bimetallstreifen verwirklichen.
Die Schaftkräfte der Unter- und Oberkante werden getrennt aufgenommen. Die konstruktive Lösung ist hauptsächlich auf senkrechte Aufnahme von Kräften ausgelegt. Dies trifft für die Schaftkräfte zu, wenn die Reibungskräfte vernachlässigt werden können. Da die Reibkräfte bei einem Reibwert von 0,01 nur 1% der Seiten kräfte betragen, ist die Vernachlässigung gerechtfertigt. Der Abstützbereich zur Nabe kann deshalb schmal gestaltet werden.
Bei einer hochfesten Ausführung des Kolbens ist der obere Schaftteil unmittelbar mit dem Ringfeld verbunden, während bei geringerer Belastung der obere Schaftteil vom Ringfeld getrennt sein kann.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachstehend erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Druck-/ Gegendruck-Ebene des Kolbens.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Bolzenebene der beiden Kolbenhälften und eine Seitenansicht der rechten Kolbenhälfte.

Der Kolben besteht aus dem Kolbenkopf 1, dem oberen Teil 2 und dem unteren Teil 3 des Kölbenschafts. Die beiden Kolbenschaftteile 2, 3 sind durch jeweils einen,.etwa in Höhe der Bolzennaben 4 verlaufenden Querschtlitz 5 -getrennt, der sich von den Bereichen 6, 6' der tragenden Kolbenschaftflächen zu den Bolzennaben 4 hin in den oberen und unteren Kolbenschaftteil 2, 3 erweitert. Der untere Schaftteil 3 weist einen versteifenden Bund 7 auf, der mit der Bolzennabe 4 verbunden ist. Zwischen den Bolzennaben 4 und der untersten Ringnute 8 ist als Regelglied ein Segmentstreifen 9 eingegossen. Das Regelglied 9 trennt die Oberkante des oberen Schaftteils 2 vom Ringfeld durch einen sich bildenden Spalt.

Claims

1. Leichtmetallkolben mit jeweils einem in den Kolbenschaftflächen in Höhe der Bolzennaben (4) angebrachten Querschlitz (5), dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweils von Bolzennabe zu Bolzennabe umlaufende Querschlitz von den tragenden Bereichen (6, 6') der Kolbenschaftflächen aus zu den Bolzennaben hin in den oberen und unteren Kolbenschaftteil (2, 3) hinein erweitert, der untere Schaftteil (3) nur mit den Bolzennaben verbunden ist und im oberen Kolbenschaftteil (2) ein Regelglied (9) angeordnet ist.

2. Leichmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Schaftteil (3) mit einem auf seiner Innenseite befindlichen versteifenden Bund (7) ausgestattet ist.