EP0327595A1 - Single-piece, lightweight and low-friction light-metal piston for internal combustion engines. - Google Patents

Single-piece, lightweight and low-friction light-metal piston for internal combustion engines.

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EP0327595A1
EP0327595A1 EP88900342A EP88900342A EP0327595A1 EP 0327595 A1 EP0327595 A1 EP 0327595A1 EP 88900342 A EP88900342 A EP 88900342A EP 88900342 A EP88900342 A EP 88900342A EP 0327595 A1 EP0327595 A1 EP 0327595A1
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shaft
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    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity

Definitions

  • the invention relates to a light metal piston according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention is based on the object of significantly reducing the running noise in the aforementioned known light and low-friction pistons, each with extremely short shaft lengths, particularly in the start-up and part-load range.
  • the ring inserts in the piston head proposed in claims 19-22 differ from similar inserts described in EP-A 0 210 649 in particular in that they do not lie in the top land area above the ring grooves, as in that prior art, but rather are arranged exclusively in the area radially within the ring grooves. As a result, they can act directly on the area of the ring webs on which the tightest possible running play should be predeterminable even in the cold state by restricting the thermal expansion.
  • Fig. 1 shows a piston in a longitudinal half in section along the line I - I and in the other half in the direction of the arrows I - I
  • Fig. 2 shows a section through the piston along line II - II
  • Fig. 3 shows the piston in a longitudinal half in section along line III - III and in the other half in the direction of arrows III - III
  • Fig. 4 shows the cold play S between the outer shape of the piston and the cylinder surface in the pressure-counter pressure direction DR-GDR and in the pin direction BR
  • Fig. 7 shows a longitudinal section through another
  • Fig. 8a, b shows a longitudinal section through two alternative piston designs with a u initially divided
  • FIG. 10 shows a section through the piston skirt along line X-X in FIG. 8
  • the piston consists of an aluminum-silicon alloy.
  • ring grooves 2 and 3 are provided for compression rings and a ring groove 4 underneath for receiving an oil scraper.
  • A average shaft height below the lowest ring groove in a circumferential area with approximately the same shaft height of at least 45 degrees on each of the two bearing sides of the piston (circumferential area between the piston hubs 6)
  • T diametrical mutual distance between the radially outer hub bore ends
  • the ring webs between the piston ring grooves 2, 3, 4 and the shaft region F in the case of a piston which is warm from the engine have approximately the same running play with respect to the cylinder track.
  • the piston slides simultaneously in the area F and on the first and second ring webs on the cylinder track, ie the piston receives its guidance in these areas.
  • This piston guide which takes place in two axially separated areas, is extremely important for a low-noise piston run. Because in order to achieve low-noise running, the piston must be in an axially sufficiently high hen area be guided so that a piston tilt triggered by the connecting rod deflection can be largely avoided. In the case of flat pistons with correspondingly low stem heights, this requirement usually presents an unsolvable problem.
  • the invention remedies that the ring webs are used to guide the piston. This is done in that, in contrast to the previously known prior art, the cold play there is designed so that the warm play there corresponds approximately to that warm play in the area F »
  • the shaft regions lying above and below the piston running region F are tapered back to the extent shown in FIG. 4 in order to bring about a hydrodynamic floating of the piston shaft in these regions.
  • the piston outer shape is entered in the pressure-counterpressure direction and in the pin direction.
  • the regions of the outer piston shape lying in between merge continuously into the dimensions of those two main directions.
  • a further improvement is brought about by the introduction of a strip-shaped insert in the form of either a closed steel ring 9 or a pair of a ring segment insert 10 in the piston head in the region radially behind the ring grooves 2, 3, 4.
  • a strip-shaped insert in the form of either a closed steel ring 9 or a pair of a ring segment insert 10 in the piston head in the region radially behind the ring grooves 2, 3, 4.
  • the inlay or inlays 9, 10 is or are essentially limited to the area below the top land area. In the direction of the shaft end, the inserts 9, 10 can each protrude from the piston crown material. This is useful because the inserts can be fixed relatively easily in the mold used to manufacture the piston.
  • FIG. 5-7 show different versions of the position of a closed ring 9 inserted in the head part of the piston, in which the ring 9 is more or less exposed radially on the inside.
  • 6 shows a different course of the ring 9 in the area of the hubs 6 of the piston.
  • the ring 9 runs inside the hubs 6 in the vicinity of the outer circumference, while in FIG. 6b it runs straight through the hub area in a radially inner area in a chord-like manner.
  • ring segments 10 are introduced into the piston head regions lying between the hubs 6, these ring segments 10 reaching into the hubs 6 in each case.
  • the ringseg Te 10 are also integrally connected to the shaft inserts 7.
  • the thermal expansion-inhibiting effect of the inserts 9, 10 is essentially due to the fact that the piston base material lying radially on the outside of the inserts shrinks onto the inserts during the manufacture of the piston, for example when it is cast, when the piston material cools down. When the piston material is rewarmed, the shrinkage stress must first be reduced before an actual expansion can take place.
  • a spacing of the inserts 9, 10 from the piston crown surface is necessary in order to allow the heat to flow from the piston crown to the piston rings.
  • the radial slot between the piston head and the shaft is favorable for low shaft clearances.

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Abstract

Il convient de réduire le bruit de fonctionnement d'un tel piston. La solution est un piston ayant les dimensions suivantes: a) L = (0,45-0,65) D; b) H = (0,25-0,4) D; c) A = (0,3-0,4) D; d) A supérieur ou égal à B; e) T = (0,45-0,8) D; f) les listels de piston entre les gorges annulaires (2, 3, 4) et la région de tige à jeu de fonctionnement étroit présentent, dans le cas d'un piston chaud en service, à peu près le même jeu par rapport à la portée de cylindre. Une amélioration supplémentaire consiste à mettre en place une chemise annulaire dans la tête de piston dans la région radiale derrière les gorges annulaires, ladite chemise étant constituée d'un matériau présentant un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du matériau de base du piston. Dans un moteur à combustion interne chaud en service, le piston présente, dans la région de ses listels, un jeu qui, dans le sens pression/contre-pression, n'atteint environ que le triple ou le quintuple du jeu dans la région de jeu très étroite de la tige de piston.The operating noise of such a piston should be reduced. The solution is a piston having the following dimensions: a) L = (0.45-0.65) D; b) H = (0.25-0.4) D; c) A = (0.3-0.4) D; d) A greater than or equal to B; e) T = (0.45-0.8) D; f) the piston strips between the annular grooves (2, 3, 4) and the rod region with a narrow operating clearance have, in the case of a hot piston in service, roughly the same clearance with respect to the cylinder seat. A further improvement consists in placing an annular jacket in the piston head in the radial region behind the annular grooves, said jacket being made of a material having a coefficient of thermal expansion lower than that of the base material of the piston. In a hot internal combustion engine in service, the piston has, in the region of its listels, a clearance which, in the pressure / backpressure direction, reaches only about three or five times the clearance in the region of very narrow clearance of the piston rod.

Description

Einteiliger, leichter und reibungsarmer Leichtmetall¬ kolben für Verbrennungsmotoren One-piece, light and low-friction light metal piston for internal combustion engines
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a light metal piston according to the preamble of patent claim 1.
Ausführungen für leichte und reibungsarme Kolben sind z.B. u.a. aus DE 34 30 258 A1 und DE 34 46 121 A1 be¬ kannt. Unbefriedigend bei diesen Kolben ist in der Regel deren Geräuschverhalten. Durch die dort ver¬ wirklichten extrem kurzen Schaftlängen kann der Kol¬ ben nicht so genau geführt werden, daß ein Kolbenkip¬ pen verbunden mit einem Anstoßen des Kolbenkopfes an die Zylinderlaufbahn in allen Betriebszuständen si¬ cher vermieden werden kann. Ein Anstoßen des Kolben¬ kopfes an die Zylinderlaufbahn führt wiederum zu un¬ erwünscht hohen Kolbenlaufgeräuschen . Dies gilt ins¬ besondere für einen Motorbetrieb im Anfahr- und Teil¬ lastzustand, in dem das Schaftspiel wegen der bei diesen Betriebszuständen niedrigen Schafttemperaturen noch nicht seinen im Motorlastbetrieb niedrigeren Wert erreicht hat. Der im Lastbetrieb niedrigere Wert ergibt sich aus der wärmebedingten Ausdehnung des Schaftmaterials, wobei die Ausdehnung in Druck-Gegen- druckrichtung des Kolbens durch dehnungsregelnde Ein¬ legestreifen noch zusätzlich reduziert werden kann.Designs for light and low-friction pistons are known, for example, from DE 34 30 258 A1 and DE 34 46 121 A1. The noise behavior of these pistons is generally unsatisfactory. Due to the extremely short stem lengths realized there, the piston cannot be guided so precisely that a piston tilting associated with an impact of the piston head on the cylinder raceway can be safely avoided in all operating states. An impact of the piston head on the cylinder track in turn leads to undesirably high piston running noises. This applies in particular to engine operation in the start-up and partial load state in which the shaft clearance has not yet reached its lower value in engine load operation due to the low shaft temperatures in these operating states. The lower value in load operation results from the heat-related expansion of the shaft material, the expansion in pressure counter direction of pressure of the piston can be further reduced by means of strain-regulating insert strips.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu¬ grunde, bei den vorgenannten bekannten leichten und reibungsarmen Kolben mit jeweils extrem kurzen Schaftlängen das Laufgeräusch und zwar insbesondere im Anfahr- und Teillastbereich deutlich zu verrin¬ gern.Proceeding from this, the invention is based on the object of significantly reducing the running noise in the aforementioned known light and low-friction pistons, each with extremely short shaft lengths, particularly in the start-up and part-load range.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Kolben mit der Form und den Abmessungen nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a piston with the shape and dimensions according to the characterizing features of patent claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un¬ teransprüche, wobei insbesondere die Ausführung nach den Ansprüchen 19 - 22 nochmals zusätzliche Verbesse¬ rungen bewirkt.Advantageous refinements are the subject of the subclaims, in particular the embodiment according to claims 19-22 brings about additional improvements.
Die in den Ansprüchen 19 - 22 vorgeschlagenen Ring¬ einlagen in dem Kolbenkopf unterscheiden sich von ähnlichen in der EP-A 0 210 649 beschriebenen Einla¬ gen besonders dadurch, daß sie nicht wie in jenem vorbekannten Stand der Technik im Feuerstegbereich oberhalb der Ringnuten, sondern ausschließlich im Be¬ reich radial innerhalb der Ringnuten angeordnet sind. Dadurch können sie direkt auf den Bereich der Rings¬ tege einwirken, an denen durch Einschränkung der Wär¬ meausdehnung bereits im Kaltzustand ein möglichst en¬ ges Laufspiel vorgebbar sein soll.The ring inserts in the piston head proposed in claims 19-22 differ from similar inserts described in EP-A 0 210 649 in particular in that they do not lie in the top land area above the ring grooves, as in that prior art, but rather are arranged exclusively in the area radially within the ring grooves. As a result, they can act directly on the area of the ring webs on which the tightest possible running play should be predeterminable even in the cold state by restricting the thermal expansion.
Eine nähere Erläuterung der Erfindung und der damit erzielbaren Vorteile erfolgt anhand der in der Zeich¬ nung dargestellten Ausführungsbeispiele.A more detailed explanation of the invention and the The achievable advantages are based on the exemplary embodiments shown in the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 einen Kolben in einer Längshälfte im Schnitt nach Linie I - I und in der anderen Hälfte in Ansicht in Richtung der Pfeile I - IFig. 1 shows a piston in a longitudinal half in section along the line I - I and in the other half in the direction of the arrows I - I
Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben nach Linie II - IIFig. 2 shows a section through the piston along line II - II
Fig. 3 den Kolben in einer Längshälfte im Schnitt nach Linie III - III und in der anderen Hälfte in Richtung der Pfeile III - IIIFig. 3 shows the piston in a longitudinal half in section along line III - III and in the other half in the direction of arrows III - III
Fig. 4 das Kaltspiel S zwischen Außeπform des Kolbens und Zylinderlaufflache in Druck-Gegendruckrichtung DR-GDR und in Bolzenrichtung BRFig. 4 shows the cold play S between the outer shape of the piston and the cylinder surface in the pressure-counter pressure direction DR-GDR and in the pin direction BR
Fig. 5a, b Längsschnitte durch je eine Kolbenhälfte mit einer Ringeinlage im KolbenkopfFig. 5a, b longitudinal sections through each piston half with an annular insert in the piston head
Fig. 6a, b einen Schnitt durch den Kolbenkopf nach den Pfeilen VI - VI in Fig. 56a, b a section through the piston head according to the arrows VI - VI in Fig. 5th
Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitereFig. 7 shows a longitudinal section through another
Ausführungsform eines Kolbens mit einer Ringeinlage im Kolbenkopf im Bereich radial innerhalb der KolbenringnutenEmbodiment of a piston with a Ring insert in the piston head in the area radially inside the piston ring grooves
Fig. 8a, b einen Längsschnitt durch zwei alternative Kolbenausführungen mit einer u fangs äßig geteiltenFig. 8a, b shows a longitudinal section through two alternative piston designs with a u initially divided
Ringeinlage im Kolbenkopf und einer umfangsmäßig ebenfalls geteilten dehnungsregelnden Einlage imRing insert in the piston head and a circumferentially also shared strain-regulating insert in the
Schaft, wobei beide Einlagen jeweils einstückig miteinander verbunden sindShaft, both inserts are integrally connected to each other
Fig. 9 einen Schnitt durch den Kolbeπkopf nach Linie IX - IX in Fig. 89 shows a section through the piston head according to line IX-IX in FIG. 8
Fig. 10 einen Schnitt durch den Kolbenschaft nach Linie X - X in Fig. 810 shows a section through the piston skirt along line X-X in FIG. 8
Der Kolben besteht aus einer Aluminium-Silizium-Le¬ gierung. In seinem Kopfteil sind Ringnuten 2 und 3 für Kompressionsringe und eine darunterliegende Rin¬ gnut 4 zur Aufnahme eines Ölabstreif inges vorgese¬ hen.The piston consists of an aluminum-silicon alloy. In its head part, ring grooves 2 and 3 are provided for compression rings and a ring groove 4 underneath for receiving an oil scraper.
Die für die Erfindung wesentlichen in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 4 eigetragenen Kolbenabmessungen sind wie folgt definiert:The piston dimensions entered for the invention in the drawing, in particular in FIG. 4, are defined as follows:
L = (0,45 - 0,65) D H = (0,25 - 0,4) DL = (0.45-0.65) D H = (0.25-0.4) D
A = (0,3 - 0,4) DA = (0.3-0.4) D
A größer gleich BA greater than or equal to B
T = (0,45 - 0,8) DT = (0.45-0.8) D
C größer gleich 0,1 AC greater than or equal to 0.1 A.
E größer gleich 0,1 AE greater than or equal to 0.1 A.
F größer gleich 0,25 A kleiner gleich 0,75 AF greater than or equal to 0.25 A less than or equal to 0.75 A
mitWith
L = maximale Länge des KolbensL = maximum length of the piston
D = maximaler Durchmesser des KolbensD = maximum diameter of the piston
H = KompressionshöheH = compression height
A = mittlere Schafthöhe unterhalb der untersten Ringnut in einem Umfangsbereich mit etwa gleicher Schafthöhe von mindestens 45 Grad auf jeder der beiden Tragseiten des Kolbens (Umfangsbereich zwischen den Kolbennaben 6)A = average shaft height below the lowest ring groove in a circumferential area with approximately the same shaft height of at least 45 degrees on each of the two bearing sides of the piston (circumferential area between the piston hubs 6)
B = maximale Schafthöhe außerhalb der Schaft¬ bereiche mit der Höhe A (In der Zeichnung nicht dargestellt, da Schaft über gesamten Umfang gleiche Höhe besitzt)B = maximum shaft height outside the shaft areas with the height A (in the drawing not shown, as shaft has the same height over the entire circumference)
T = Diametraler gegenseitiger Abstand der radial außen liegenden NabenbohrungsendenT = diametrical mutual distance between the radially outer hub bore ends
C = axialer Höhenbereich am oberen Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaf bereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruck¬ richtung (DR-GDR) liegenden Schaftbereich zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmier¬ filmkeiles radial konusartig eingezogen istC = axial height region at the upper end of the shaft in the sheep region having height A, which is drawn in radially in a cone-like manner at least in a shaft region lying in the pressure-counterpressure direction (DR-GDR) to form a hydrodynamic lubricating film wedge
E = axialer Bereich am unteren Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Schaftbereich zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilmkeiles radial konusartig eingezogen istE = axial region at the lower end of the shaft in the shaft region having the height A, which is drawn in at least in a shaft region lying in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR) to form a hydrodynamic lubricating film wedge in a radially conical manner
F = axiale Höhe eines in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich zwischen den durch die Höhen C und E definierten Schaftbereichen zumindest in Druck- Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Bereiches.F = axial height of an area in the shaft area having the height A between the shaft areas defined by the heights C and E, at least in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR).
Ferner weisen die Ringstege zwischen den Kolbenrin¬ gnuten 2, 3, 4 und der Schaftbereich F bei motorbe- triebswarmem Kolben in etwa das gleiche Laufspiel ge¬ genüber der Zylinderlaufbahn aus.Furthermore, the ring webs between the piston ring grooves 2, 3, 4 and the shaft region F in the case of a piston which is warm from the engine have approximately the same running play with respect to the cylinder track.
Im Inneren des Schaftes 5 sind zwischen den Naben 6 in Umfangsrichtung als dehnungsregelnde Einlagen 7 Stahlstreifen eingeformt. Der Schaft 5 ist durch ra¬ diale Querschlitze 8 im Bereiche zwischen den Naben 6 von dem Kolbenkopf getrennt.Inside the shaft 5 are between the hubs 6 in the circumferential direction as strain-regulating inserts 7 Steel strips molded in. The shaft 5 is separated from the piston head by radial transverse slots 8 in the area between the hubs 6.
Bis auf den Feuerstegbereich ist der zylindrischen Grundform des Kolbens eine Ovalität überlagert, deren große Achse in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR in Fig. 2) und deren kleine Achse in Bolzeπrichtung liegt .Except for the top land area, an ovality is superimposed on the cylindrical basic shape of the piston, the large axis of which lies in the pressure-counterpressure direction (DR-GDR in FIG. 2) and the small axis of which lies in the pin direction.
Der genaue Verlauf der Kolbenaußenfläche ist in Fig. 4 wiedergegeben. Der in dieser Figur eingetragene Kolbenumriß mit den dazu angegebenen Bereichsangaben A = 30 mm, C = 10,5 mm, E = 6,5 mm, F = 13 mm, H = 30 mm und L = 49 mm ist maßstabsgetreu gezeichnet. Der Durchmesser D = 86 mm und T = 63 mm. Dabei beziehen sich die Werte auf eine besonders vorteilhafte Ausge¬ staltung des in den Fig. 1 - 3 dargestellten für ei¬ nen Einsatz in einem Graugußzylinder bestimmten Kol¬ bens. In bezug auf die Erfindung kommt es insbesonde¬ re auf die Kolbenaußenform in Druck-Gegendruckrich¬ tung (DR-GDR) an, auf die die in den Ansprüchen ange¬ gebenen Laufspiele abgestellt sind.The exact course of the piston outer surface is shown in Fig. 4. The piston outline entered in this figure with the range specifications A = 30 mm, C = 10.5 mm, E = 6.5 mm, F = 13 mm, H = 30 mm and L = 49 mm is drawn to scale. The diameter D = 86 mm and T = 63 mm. The values relate to a particularly advantageous embodiment of the piston shown in FIGS. 1-3, which is intended for use in a cast iron cylinder. In relation to the invention, the piston outer shape in the pressure-counterpressure direction (DR-GDR), on which the running cycles specified in the claims are based, is particularly important.
Bei warmem Motor gleitet der Kolben gleichzeitig in dem Bereich F sowie an dem ersten und zweiten Rings¬ teg an der Zylinderlaufbahn, d.h. der Kolben erhält in diesen Bereichen seine Führung. Diese in zwei axi¬ al auseinanderliegenden Bereichen erfolgende Kolben¬ führung ist für einen geräuscharmen Kolbenlauf äu¬ ßerst wichtig. Denn zur Erzieluπg eines geräuscharmen Laufes muß der Kolben in einem axial ausreichend ho- hen Bereich so geführt sein, daß ein durch die Pleu¬ elauslenkung ausgelöstes Kolbenkippen weitestgehend vermieden werden kann. Bei flachen Kolben mit ent¬ sprechend niedrigen Schafthöhen bereitet diese Forde¬ rung meist ein unlösbares Problem. Hier schafft die Erfindung dadurch Abhilfe, daß die Ringstege zur Kol¬ benführung mit herangezogen werden. Dies geschieht dadurch, daß das Kaltspiel dort im Gegensatz zu dem bisher bekannten Stand der Technik so ausgelegt wird, daß das Warmspiel dort etwa demjenigen Warmspiel im Bereich F entspricht»When the engine is warm, the piston slides simultaneously in the area F and on the first and second ring webs on the cylinder track, ie the piston receives its guidance in these areas. This piston guide, which takes place in two axially separated areas, is extremely important for a low-noise piston run. Because in order to achieve low-noise running, the piston must be in an axially sufficiently high hen area be guided so that a piston tilt triggered by the connecting rod deflection can be largely avoided. In the case of flat pistons with correspondingly low stem heights, this requirement usually presents an unsolvable problem. Here, the invention remedies that the ring webs are used to guide the piston. This is done in that, in contrast to the previously known prior art, the cold play there is designed so that the warm play there corresponds approximately to that warm play in the area F »
Zur weiteren Förderung eines -geräuscharmen Kolbenlau¬ fes werden die über und unter dem Kolbenlaufbereich F liegenden Schaftbereiche in dem in der Fig. 4 einge¬ tragenen Maße konisch zurückgenommen, um in diesen Bereichen ein hydrodynamisches Aufschwimmen des Kol¬ benschaftes zu bewirken.To further promote a low-noise piston barrel, the shaft regions lying above and below the piston running region F are tapered back to the extent shown in FIG. 4 in order to bring about a hydrodynamic floating of the piston shaft in these regions.
In der Fig. 4 ist jeweils die Kolbenaußenform in Druck-Gegendruckrichtung sowie in Bolzenrichtung ein¬ getragen. Die dazwischenliegenden Bereiche der Kol¬ benaußenform gehen jeweils stetig in die Maße jener beiden Hauptrichtungeπ über.4, the piston outer shape is entered in the pressure-counterpressure direction and in the pin direction. The regions of the outer piston shape lying in between merge continuously into the dimensions of those two main directions.
Eine weitere Verbesserung bewirkt das Einbringen ei¬ ner streifenförmigeπ Einlage in Form entweder eines geschlossenen Stahlringes 9 oder eines Paares einer Ringsegmeπteinlage 10 in den Kolbeπkopf im Bereich radial hinter den Ringnuten 2, 3, 4. Bei Verwendung des Paares ringsegmentartiger Einlagen 10 ist jeweils ein Teil dieses Paares in den Kolbentragseiten zwi¬ schen den Naben in die Naben einlaufend angeordnet.A further improvement is brought about by the introduction of a strip-shaped insert in the form of either a closed steel ring 9 or a pair of a ring segment insert 10 in the piston head in the region radially behind the ring grooves 2, 3, 4. When using the pair of ring segment-like inserts 10, respectively a part of this pair arranged in the piston support sides between the hubs entering the hubs.
Durch diese Einlagen in geschlossener oder segmentar¬ tiger Form wird die Ausdehnung in dem Bereich der Kolbenringstege bei Kolbenerwärmung erheblich vermin¬ dert. Die Einlage bzw. Einlagen 9, 10 ist bzw. sind im wesentlichen auf den Bereich unterhalb des Feuer¬ stegbereiches beschränkt. In Richtung Schaftende kön¬ nen die Einlagen 9, 10 jeweils aus dem Kolbenbodenma¬ terial herausragen. Zweckmäßig ist dies deshalb, weil die Einlagen auf diese Weise relativ einfach in der für die Herstellung des Kolbens benutzten Gießform fixiert werden können.As a result of these inserts in closed or segment-like form, the expansion in the region of the piston ring webs when the piston is heated is considerably reduced. The inlay or inlays 9, 10 is or are essentially limited to the area below the top land area. In the direction of the shaft end, the inserts 9, 10 can each protrude from the piston crown material. This is useful because the inserts can be fixed relatively easily in the mold used to manufacture the piston.
In Fig. 5 - 7 sind verschiedene Versionen der Lage eines in d Kopfteil des Kolbens eingebrachten ge¬ schlossenen Ringes 9 dargestellt, bei denen der Ring 9 radial innen mehr oder weniger freigelegt ist. Fig. 6 zeigt einen unterschiedlichen Verlauf des Ringes 9 im Bereich der Naben 6 des Kolbens. Bei der Alterna¬ tive nach Fig. 6a verläuft der Ring 9 innerhalb der Naben 6 in der Nähe des Außenumfanges , während er bei Fig. 6b den Nabenbereich in einem radial weiter innen liegenden Bereich geradlinig sehnenartig durchläuft.5-7 show different versions of the position of a closed ring 9 inserted in the head part of the piston, in which the ring 9 is more or less exposed radially on the inside. 6 shows a different course of the ring 9 in the area of the hubs 6 of the piston. In the alternative according to FIG. 6a, the ring 9 runs inside the hubs 6 in the vicinity of the outer circumference, while in FIG. 6b it runs straight through the hub area in a radially inner area in a chord-like manner.
Bei den Ausführungsarten nach Fig. 8 sind anstelle eines geschlossenen Ringes 9 jeweils Ringsegmente 10 in die zwischen den Naben 6 liegenden Kolbenkopfbe- reiche eingebracht, wobei diese Ringsegmente 10 bis jeweils in die Naben 6 hineinreichen. Die Ringseg en- te 10 sind darüberhinaus einteilig mit den Schaftein¬ lagen 7 verbunden.In the embodiments according to FIG. 8, instead of a closed ring 9, ring segments 10 are introduced into the piston head regions lying between the hubs 6, these ring segments 10 reaching into the hubs 6 in each case. The ringseg Te 10 are also integrally connected to the shaft inserts 7.
Die Ausführungen nach Fig. 8a und b unterscheiden sich lediglich dadurch, daß bei dem Kolben nach Fig. 8b Kolbenkopf und -schaft durch einen radialen Schlitz 8 voneinander getrennt sind.8a and b differ only in that the piston head and shaft are separated from one another by a radial slot 8 in the piston according to FIG. 8b.
Die wärmeausdehnungshemmende Wirkung der Einlagen 9, 10 beruht im wesentlichen darauf, daß das radial au¬ ßen auf den Einlagen anliegende Kolbengrundmaterial bei der Herstellung des Kolbens, beispielsweise wenn dieser gegossen wird, beim Abkühlen des Kolbenmateri¬ als auf die Einlagen aufschrumpf . Bei Wiedererwär¬ mung des Kolbeπmaterials muß dann zunächst einmal die Schrumpfspannung abgebaut werden, bevor eine tatsäch¬ liche Ausdehnung erfolgen kann.The thermal expansion-inhibiting effect of the inserts 9, 10 is essentially due to the fact that the piston base material lying radially on the outside of the inserts shrinks onto the inserts during the manufacture of the piston, for example when it is cast, when the piston material cools down. When the piston material is rewarmed, the shrinkage stress must first be reduced before an actual expansion can take place.
Ein Abstand der Einlagen 9, 10 von der Kolbenbodeπ- oberfläche ist notwendig, um die Wärme von dem Kol¬ benboden zu den Kolbenringen fließen lassen zu kön¬ nen.A spacing of the inserts 9, 10 from the piston crown surface is necessary in order to allow the heat to flow from the piston crown to the piston rings.
Der radiale Schlitz zwischen Kolbenkopf und Schaft ist günstig für niedrige Schaftspiele.The radial slot between the piston head and the shaft is favorable for low shaft clearances.
Mit dem in Fig. 7 gezeigten relativ weit in Richtung des Kolbenschaftes verlaufenden Ring 9 wird gleich¬ zeitig noch eine Regelwirkung auf den Schaft ausge¬ übt.With the ring 9 shown in FIG. 7, which extends relatively far in the direction of the piston skirt, a control effect is simultaneously exerted on the skirt.
Mit den Einlagen 9, 10 entsprechend den Ausführungen in den Fig. 5 - 10 läßt sich in dem Kolbeπkopf an dem unteren Ringsteg (unterhalb der Ringnut 3) ein Kalt¬ spiel von 1,5 Promille und am oberen Ringsteg (zwi¬ schen Ringnut 1 und 2) ein solches von 2,2 Promille jeweils bezogen auf den Durchmesser des Kolbens er¬ zielen. Der Feuersteg des Kolb'enkopfes wird jeweils nicht mit zur Kolbenführung herangezogen. With the inserts 9, 10 according to the explanations 5-10, a cold clearance of 1.5 per mille can be found in the piston head on the lower ring land (below the ring groove 3) and that of 2.2 on the upper ring land (between the ring grooves 1 and 2) Achieve per mille based on the diameter of the piston. The top land of the piston head is not used to guide the piston.

Claims

Patentansprüche Claims
Einteiliger, leichter und reibungsarmer Leichtme¬ tallkolben für Verbrennungsmotoren mit aus¬ schließlich oberhalb der Nabenbohrungen angeord¬ neten Kolbenringnuten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:One-piece, light and low-friction light metal piston for internal combustion engines with piston ring grooves arranged exclusively above the hub bores, characterized by the following features:
a) L = (0,45 - 0,65) Da) L = (0.45-0.65) D
b) H = (0,25 - 0,4) Db) H = (0.25-0.4) D
c) A = (0,3 - 0,4) Dc) A = (0.3 - 0.4) D
d) A größer gleich Bd) A greater than or equal to B
e) T = (0,45 - 0,8) De) T = (0.45-0.8) D
f) die Ringstege zwischen den Kolbenringnuten (2, 3, 4) und der Schaftbereich mit dem ge¬ ringsten Laufspiel weisen bei motorbetriebs- warmem Kolben in etwa das gleiche Laufspiel gegenüber der Zylinderlaufbahn auff) the ring webs between the piston ring grooves (2, 3, 4) and the shaft region with the lowest running clearance have approximately the same running clearance with the piston when the engine is warm with respect to the cylinder track
mit L = maximale Länge des KolbensWith L = maximum length of the piston
D = maximaler Durchmesser des KolbensD = maximum diameter of the piston
H = KompressionshöheH = compression height
A = mittlere Schafthöhe unterhalb der untersten Ringnut in einem Umfangs- bereich mit etwa gleicher Schaft¬ höhe von mindestens 45 Grad auf jeder der beiden Tragseiten des Kolbens (Umfangsbereich zwischen den Kolben¬ naben (6) )A = average shaft height below the lowest ring groove in a circumferential area with approximately the same shaft height of at least 45 degrees on each of the two bearing sides of the piston (circumferential area between the piston hubs (6))
B = maximale Schafthöhe außerhalb der Schaft¬ bereiche mit der Höhe AB = maximum shaft height outside the shaft areas with the height A
T = diametraler gegenseitiger Abstand der radial außen liegenden Nabenbohrungs¬ endenT = diametrical mutual distance between the radially outer hub bore ends
2. Kolben nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Merkmale:2. Piston according to claim 1, characterized by the features:
a) L (0,5 - 0,6) Da) L (0.5-0.6) D
b) H = (0,25 - 0,36) Db) H = (0.25-0.36) D
c) A = (0,32 - 0,38) D c) A = (0.32 - 0.38) D
3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale3. Piston according to claim 1 or 2, characterized by the features
a) C größer gleich 0,1 Aa) C greater than or equal to 0.1 A.
b) E größer gleich 0,1b) E greater than or equal to 0.1
c) F größer gleich 0,25 A und kleiner gleich 0,75 Ac) F greater than or equal to 0.25 A and less than or equal to 0.75 A
mit:With:
C = axialer Höhenbereich am oberen Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Schaf bereich zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilmkeiles radial konusartig eingezogen istC = axial height region at the upper end of the shaft in the shaft region having the height A, which is drawn in radially cone-like at least in a sheep region lying in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR) to form a hydrodynamic lubricating film wedge
E = axialer Bereich am unteren Schaftende in dem die Höhe A aufweisenden Schaftbereich, der zumindest in einem in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Schaftbereiche zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilmkeiles radial konusartig eingezogen istE = axial region at the lower end of the shaft in the shaft region having the height A, which is drawn in at least in a shaft region lying in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR) to form a hydrodynamic lubricating film wedge in a radially conical manner
F = axiale Höhe eines in dem die Höhe A aufweisendenF = axial height of one in height A
Schaftbereich zwischen den durch die Höhen C und E definierten Schaftbereichen zumindest in Druck- Gegendruckrichtung (DR-GDR) liegenden Bereiches.Shaft area between the heights C and E defined shaft areas at least in the pressure-counter pressure direction (DR-GDR) lying area.
4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Merkmale:4. Piston according to one of the preceding claims, characterized by the features:
a) C größer gleich 0,12 Aa) C greater than or equal to 0.12 A.
b) E größer gleich 0,12 Ab) E greater than or equal to 0.12 A.
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch die Merkmale:5. Piston according to one of claims 1-3, characterized by the features:
a) C größer gleich 0,15 Aa) C greater than or equal to 0.15 A.
b) E größer gleich 0,15 Ab) E greater than or equal to 0.15 A.
c) F größer gleich 0,25 A kleiner gleich 0,65 Ac) F greater than or equal to 0.25 A less than or equal to 0.65 A
6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch die Merkmale:6. Piston according to one of claims 1-3, characterized by the features:
a) C größer gleich 0,18 Aa) C greater than or equal to 0.18 A.
b) E größer gleich 0,18 Ab) E greater than or equal to 0.18 A.
c) F größer gleich 0,25 A kleiner gleich 0,6 Ac) F greater than or equal to 0.25 A less than or equal to 0.6 A
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufspiele an den Ringstegen (zwischen den Ringnuten (2, 3, 4)) und in dem Schaftbe- reich, mit dem geringsten Laufspiel besteht, ge¬ genüber der Zylinderlauffläche bei motorbetriebs- warmem Kolben maximal um das fünffache voneinan¬ der abweichen.7. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the running games on the ring webs (between the ring grooves (2, 3, 4)) and in the shaft- rich, with the least running play, differ from the cylinder running surface with the piston warm to the engine by a maximum of five times.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufspiele maximal um das vierfache von¬ einander abweichen.8. Piston according to claim 7, characterized in that the running games differ from each other by a maximum of four times.
9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufspiele um maximal das dreifache von¬ einander abweichen.9. Piston according to claim 8, characterized in that the running games differ from each other by a maximum of three times.
10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Zylinderlauffläche direkt oder über den Schmierfilm indirekt in Wirkverbindung stehenden Kolbenaußenflächen auf einer zylindri¬ schen mit Ovalitätsüberlagerung versehenen Ober¬ fläche liegen, wobei sich die größere Ovalitäts¬ achse in Druck-Gegendruckrichtung (DR-GDR) und die kleine Ovalitätsachse sich in Bolzenrichtung erstreckt.10. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the piston outer surfaces which are directly operatively connected to the cylinder running surface or indirectly via the lubricating film lie on a cylindrical surface provided with ovality superimposition, the larger ovality axis being in pressure Back pressure direction (DR-GDR) and the small ovality axis extends in the pin direction.
11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (5) des Kolbens am unteren Ende eine geschlossene zylindrische Außengrundform aufweist, an dem das Kaltspiel axial und umfangs- mäßig variiert, jedoch an keiner Stelle einen Wert von etwa 0,01 D übersteigt.11. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft (5) of the piston has a closed cylindrical outer basic shape at the lower end, on which the cold play axially and circumferentially varies moderately, but never exceeds a value of about 0.01 D.
12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den zwischen den Bolzennaben (6) liegenden Schaftinnenflächen dehnungsregelnde streifenför- mige Metalleinlagen (7) angreifen, die die Schaftausdehnung in Druck-Gegendruckrichtung bei sich erwärmenden Kolben behindern.12. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the strip-shaped metal inserts (7) acting on the inner surfaces of the shafts lying between the pin bosses (6) attack the shaft expansion in the pressure-counter-pressure direction when the piston heats up.
13. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltspiel bei einem die Gegenlauffläche bildenden Zylindermaterial aus einem Eisenwerk¬ stoff in dem an die Druck-Gegendruckrichtung an¬ grenzenden Teil des tragenden Schaftbereiches bei Werten zwischen etwa (0,0001 - 0,0006) D liegt.13. Piston according to claim 12, characterized in that the cold play in a cylinder material forming the counter-running surface made of an iron material in the part of the load-bearing shaft region adjoining the pressure-counterpressure direction at values between approximately (0.0001 - 0.0006 ) D lies.
14. Kolben nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltspiel bei einem die Gegenlauffläche bildenden Zylindermaterial aus Leichtmetall in dem an die Druck-Gegendruckrichtung angrenzenden Teil des tragenden Schaftbereiches bei Werten zwischen etwa (0 - 0,0004) D liegt.14. Piston according to claim 12, characterized in that the cold play in a cylinder material forming the counter-running surface made of light metal in the part of the load-bearing stem region adjoining the pressure-counterpressure direction is between approximately (0-0.0004) D.
15. Kolben nach Anspruch 10 oder 11, der nicht mit dehnungsregelnden Einlagen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltspiel bei einem die Gegenlauffläche bildenden Zylindermaterial aus Eisen in dem an die Druck-Gegendruckrichtung angrenzenden Teil des tragenden Schaftbereiches bei Werten zwischen etwa (0,0004 - 0,001) D liegt.15. Piston according to claim 10 or 11, which is not provided with strain-regulating inserts, characterized in that the cold play in an iron cylinder material forming the counter surface in which the pressure-counterpressure direction adjoining part of the load-bearing shaft area is between approximately (0.0004 - 0.001) D.
16. Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaltspiel bei einem die Gegenlauffläche bildenden Zylindermaterial aus Leichtmetall in dem an die Druck-Gegendruckrichtung angrenzenden Teil des Schaftbereiches bei Werten zwischen etwa (0,0001 - 0,0005) D liegt.16. Piston according to the preamble of claim 15, characterized in that the cold play in a cylinder material forming the counter-running surface made of light metal in the part of the shaft region adjoining the pressure-counterpressure direction is between approximately (0.0001 - 0.0005) D .
17. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (5) unterhalb der untersten Rin¬ gnut in seinen zwischen den Bolzennaben (6) lie¬ genden Umfangsbereichen radial geschlitzt ist.17. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft (5) below the lowermost ring groove is radially slotted in its peripheral regions lying between the pin bosses (6).
18. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Ringnuten (2, 3, 4) zur Aufnahme zwei¬ er Kompressionsringe und eines Ölabstreif inges versehen ist.18. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that it is provided with annular grooves (2, 3, 4) for receiving two compression rings and an oil scraper.
19. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem radial hinter den Ringnuten (2, 3, 4) zwischen den Naben (6) liegenden Bereich des Kopfteiles in Umfangsrichtung streifenförmige Einlagen (9, 10) aus einem Material mit gegenüber dem Kolbengrundmaterial geringerem Wärmeausdeh¬ nungskoeffizienten eingebracht sind. 19. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that in the radially behind the annular grooves (2, 3, 4) between the hubs (6) lying area of the head part in the circumferential direction strip-shaped inserts (9, 10) made of a material with opposite are introduced into the piston base material with a lower coefficient of thermal expansion.
20. Kolben nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Einlagen (9, 10) ein ge¬ schlossener Ring (9) sind.20. Piston according to claim 19, characterized in that the strip-shaped inserts (9, 10) are a closed ring (9).
21. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagen (9, 10) Abstand von der Kolben¬ bodenoberfläche besitzen.21. Piston according to one of the preceding claims, characterized in that the inserts (9, 10) have a distance from the piston bottom surface.
22. Kolben nach einem der Ansprüche 19 - 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufspiele an den Ringstegen (zwischen den Ringnuten (2, 3, 4)) und dem Schaftbereich, mit dem geringsten Laufspiel, gegenüber der Zy¬ linderlaufbahn bei motorbetriebswarmem Kolben ma¬ ximal um das zwei- bis dreifache voneinander ab¬ weichen . 22. Piston according to one of claims 19 - 21, characterized in that the running play on the ring webs (between the ring grooves (2, 3, 4)) and the shaft area, with the least running play, compared to the cylinder bore with engine-warm piston ma ¬ deviate from each other by two to three times.
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