EP0356457B1 - Leichtmetall-tauchkolben für verbrennungsmotoren - Google Patents

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EP0356457B1
EP0356457B1 EP88903796A EP88903796A EP0356457B1 EP 0356457 B1 EP0356457 B1 EP 0356457B1 EP 88903796 A EP88903796 A EP 88903796A EP 88903796 A EP88903796 A EP 88903796A EP 0356457 B1 EP0356457 B1 EP 0356457B1
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EP
European Patent Office
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piston
skirt
pressure side
counter
light
Prior art date
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EP88903796A
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French (fr)
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EP0356457A1 (de
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Hugo Gabele
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Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/022—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion the pistons having an oval circumference or non-cylindrical shaped skirts, e.g. oval
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/02—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/04—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
    • F02F3/042—Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts the inserts consisting of reinforcements in the skirt interconnecting separate wall parts, e.g. rods or strips
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0448—Steel

Definitions

  • the invention relates to a light metal plunger for internal combustion engines according to the same preamble of the two independent claims 1 and 2.
  • Such pistons are known from GB-PS 12 56 242.
  • a control strip is used at the upper end of the shaft, which has a width that varies over its circumference. The width varies in such a way that the radial thickness of the control strip is the smallest on the pressure side of the piston and the greatest on the counterpressure side. This results in a smaller radial expansion of the upper shaft area on the counter pressure side of the shaft than on the pressure side. Due to the smaller expansion of the upper shaft area on the counter pressure side under temperature, a tight running play of the shaft can be achieved in the cold state. The tighter running play is associated with a reduction in the running noise in the cold state, which is strongly influenced by a striking of the top land on the counter-pressure side against the cylinder liner in the cold state of the engine.
  • the object of the invention is to further reduce the noise generation in the generic piston which is caused by the piston head striking against the cylinder liner on the counterpressure side when the piston is cold.
  • the piston assumes in the cold state in the engine cylinder a position in which the piston head is inclined with its upper end on the pressure side relative to the cylinder running surface in such a way that there is play in the top land area relative to the cylinder running surface on the counter pressure side is larger than on the pressure side.
  • the specified inclination of the piston head in the cold state of the piston in the engine cylinder is achieved in that the counter-pressure side surface of is inclined upwards downwards with respect to the piston longitudinal axis, specifically with the radial distance decreasing towards the lower piston end towards the piston axis.
  • the abutment of the piston on the lateral surface so inclined on the counter-pressure side is further favored by the inclination of the shaft lateral surface there, given in the opposite direction on the pressure side. This statement in turn relates to the cold state.
  • Advantageous for achieving the inclined position of the piston desired in partial engine load operation is the substantially straight line surface profile over a wide range on the counter pressure side.
  • the control strip inserted on the counter-pressure side in the upper end area of the skirt causes a hindrance to the thermal expansion of the light metal in this area of the skirt, while the lower area of the stem on the counter-pressure side can expand considerably more freely without a control strip.
  • the surface line on the counterpressure side of the shaft receives a course in full-load operation of the engine, which is aligned essentially parallel to the longitudinal axis of the piston head.
  • the piston head then also runs centrally in the cylinder bore.
  • the control strip provided on the pressure side in the lower shaft area exerts an influence in the same direction. This ensures that by a greater radial distance the skirt lateral surface in the control strip area to the longitudinal axis of the piston compared to the overlying shaft area on the counterpressure side, a system in the lower shaft area is additionally favored.
  • a common measure to reduce piston noise when the engine is running is to debach the piston hub bore.
  • This roofing is usually on the print side. This creates a tilting moment at the top dead center of the compression stroke when combustion starts, which pushes the piston head in the direction of the counter pressure side.
  • the lower stem area of the piston on the counter pressure side is pressed radially outwards. This creates contact forces in the aforementioned shaft areas (counter pressure side above or pressure side bottom) which are to be absorbed with the smallest possible elastic deformation.
  • the piston skirt In the upper area of the stem, the piston skirt should be on the.
  • the counter-pressure side on the other hand, must be relatively stiff in order to ensure the greater radial distance between the lateral surface and the longitudinal axis of the piston head in the cold state compared to the lower region and not to restrict it again in this region due to excessive elastic deformability.
  • the different stiffnesses can be determined by the size of the unsupported arch length of the shaft vary on the pressure and counter pressure side.
  • these measures consist in particular in the provision of a transverse slot between the piston head and the piston skirt on the counter-pressure side and in the provision of a control strip in the upper region of the piston skirt exclusively on the counter-pressure side and, if appropriate, an additional control strip in the lower region of the pressure-side stem half.
  • Unsymmetrical shaft shapes are also known per se from DE 35 27 032 A1, but there are also no references to the specific he inventive design of the shaft to reduce the impact noise of the piston head.
  • the piston is made of an aluminum-silicon alloy.
  • ring grooves 1 for Kom compression rings and an underlying groove 2 provided for an oil control ring.
  • the stem of the piston is separated from the piston head on the counterpressure side by a transverse slot 3.
  • the transverse slot 3 extends in the circumferential direction over a total of 90 degrees, namely symmetrically on both sides of the plane running through the longitudinal axis X in the pressure-counter pressure direction.
  • a control strip 4 made of steel is used exclusively on the counter-pressure side in the interior of the shaft in the upper region thereof.
  • the control effect emanating from this control strip when the piston warms up is measured to a maximum of about 50 my with piston diameters between 70 and 100 mm.
  • Fig. 4 the position of the piston according to Fig. 1 is drawn, which it assumes in the cold state in the engine cylinder during the compression stroke. Due to the conrod angle during this stroke, the piston rests with its shaft on the counter pressure side during the downward movement. Alignment takes place in the area of the piston skirt on the counterpressure side through the axial surface line existing there in a straight line over a larger area.
  • the straight generatrix extends there from the lower end of the shaft to about 15% before the upper end of the shaft.
  • the axial generatrix is essentially spherical.
  • the decisive noise reduction lies in the fact that the circumference of the piston head on the counter-pressure side is sufficiently distant from the cylinder running surface due to the shaft jacket which is inclined there. so as not to hit the cylinder wall under partial load or when the engine is not yet warm.
  • the inclination of the axial surface line of the shaft on the counter-pressure side is chosen to such an extent that, in full-load operation, the control effect of the control strip 4 results in a parallel profile of this surface line to the longitudinal axis X.
  • the control strip 4 is attached directly to the upper end of the shaft and in the example shown extends over a height of 25% of the total shaft length.
  • the diameter of the top land of the piston head is less than the maximum diameter of the piston skirt.
  • Fig. 4 shows quite clearly how the piston head is brought into such an inclined position by the shaft when the piston is cold, that the play between the ring portion and the cylinder running surface on the counterpressure side of the piston is significantly greater than on the diametrically opposite pressure side of the piston. This prevents the ring part from striking the piston, which causes the piston noise.
  • control strips 4 and 5 each extend Weil of one of the two hubs 6 areas circumferentially up to the piston tilt plane running perpendicular to the piston pin axis, ie the control strips are circumferentially separated from one another in the area of the piston tilt plane.
  • control strips 4 and 5 are connected to a common control strip 7 connected in the region of the piston hub 6.
  • the piston can be installed in this lower shaft area in the cold state with a radial play so narrow there that on the counter-pressure side an attachment to the shaft jacket inclined from top to bottom is promoted.
  • the piston tilts to the counter pressure side, it comes into contact with the underside of the shaft on the pressure side earlier, which reduces the tilt angle.
  • the stiffness of the piston shaft is changed over the axial height in that the load-bearing shaft surfaces are unequal in circumference and are supported radially inwards at the circumferential end.
  • the different elasticity in the axial direction is distributed in such a way that the piston skirt on the counter pressure side in the upper area, in which the control strip 4 is located, is stiffer than in the skirt area below.
  • the lower shaft area is made stiffer than the lower shaft area opposite on the counter pressure side.
  • the course of the walls 10 connecting the supporting shaft surfaces 8, 9 in the direction of the piston axis is predetermined by the shape of the bearing surfaces 8, 9 which change over the height of the shaft.
  • the hubs 6 can protrude radially beyond these walls 10.
  • a narrow circumferential collar 11 can be provided at the lower end of the shaft. Such a collar enables the piston to be transported in a rolling manner through the individual production stations.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

    Leichtmetall-Tauchkolben für Verbrennungsmotoren
  • Die Erfindung betrifft einen Leichtmetall-Tauchkolben für Verbrennungsmotoren nach dem jeweils gleichen Oberbegriff der beiden unabhängigen Patentansprüche 1 und 2.
  • Derartige Kolben sind aus GB-PS 12 56 242 bekannt. Bei jenem bekannten Kolben ist am oberen Schaftende ein Regelstreifen eingesetzt, der eine über seinen Umfang variierende Breite aufweist. Dabei variiert die Breite in der Weise, daß die radiale Dicke des Regelstreifens auf der Druckseite des Kolbens am ge­ringsten und auf der Gegendruckseite am größten ist. Dadurch erfolgt auf der Gegendruckseite des Schaftes eine geringere radiale Ausdehnung des oberen Schaft­bereiches als auf der Druckseite. Durch die geringere Ausdehnung des oberen Schaftbereiches auf der Gegen­druckseite unter Temperatur ist ein enges Laufspiel des Schaftes im Kaltzustand erreichbar. Mit dem enge­ren Laufspiel verbunden ist eine Verminderung des Laufgeräusches im Kaltzustand, das durch ein Anschla­gen des Feuersteges auf der Gegendruckseite an die Zylinderlaufbahn im Kaltzustand des Motors stark beeinflußt ist.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, bei dem gattungsgemäßen Kolben die Geräusch­bildung, die durch das Anschlagen des Kolbenkopfes im Kaltzustand des Kolbens auf der Gegendruckseite gegen die Zylinderlaufbahn verusacht wird, noch weiter zu vermindern.
  • Gelöst wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Kolben durch eine Ausbildung des Kolbenschaftes nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 2.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Durch den Aufbau und die Außenform des Kolbenschaftes nach Anspruch 1 nimmt der Kolben in kaltem Zustand in dem Motorzylinder eine Lage an, in der der Kolbenkopf mit seinem oberen Ende auf der Druckseite gegenüber der Zylinderlauffläche so geneigt ist, daß im Feuer­stegbereich das Spiel gegenüber der Zylinderlaufflä­che auf der Gegendruckseite größer ist als auf der Druckseite. Dadurch wird bei Motoranlauf und im Teil­lastbetrieb, in dem der Kolben noch relativ geringe Temperaturen aufweist, eine Geräuschbildung durch An­schlagen der Ringpartie auf der Gegendruckseite vermieden.
  • Die angegebene Neigung des Kolbenkopfes im Kaltzu­stand des Kolbens im Motorzylinder wird dadurch er­reicht, daß die gegendruckseitige Mantelfläche von oben nach unten gegenüber der Kolbenlängsachse ge­neigt ist und zwar mit zum unteren Kolbenschaftende hin gegenüber der Kolbenachse abnehemendem radialen Abstand. Die Anlage des Kolbens an die auf der Gegen­druckseite so geneigte Mantelfläche wird noch begün­stigt durch die nach Anspruch 2 auf der Druckseite in umgekehrter Richtung gegebene Neigung der dortigen Schaftmantelfläche. Diese Aussage bezieht sich wie­derum auf den Kaltzustand.
  • Vorteilhaft für die Erzielung für die im Motorteil- lastbetrieb gewünschte geneigte Lage des Kolbens ist der auf der Gegendruckseite über einen weiten Bereich in wesentlichen geradlinige Mantellinienverlauf.
  • Mit zunehmender Wärme des Kolbenschaftes bewirkt der auf der Gegendruckseite im oberen Endbereich des Schaftes eingelegte Regelstreifen eine Behinderung der Wärmeausdehnung des Leichtmetalles in diesem Schaftbereich, während der untere gegendruckseitige Bereich des Schaftes sich ohne Behinderung durch ei­nen Regelstreifen erheblich stärker ausdehnen kann. Dadurch erhält die Mantellinie auf der Gegendrucksei­te des Schaftes im Vollastbetrieb des Motors einen Verlauf, der im wesentlichen parallel zu der Kolben­kopflängsachse ausgerichtet ist. Damit läuft dann auch der Kolbenkopf zentrisch in der Zylinderbohrung.
  • Einen in die gleiche Richtung wirksamen Einfluß übt der auf der Druckseite im unteren Schaftbereich vor­gesehene weitere Regelstreifen aus. Dieser sorgt näm­lich dafür, daß durch einen größeren radialen Abstand der Schaftmantelfläche im Regelstreifenbereich zur Kolbenlängsachse im Vergleich zu dem darüberliegenden Schaftbereich auf der Gegendruckseite eine Anlage im unteren Schaftbereich noch zusätzlich begünstigt wird.
  • Eine übliche Maßnahme zur Reduzierung von Kolbenge­räuschen im Motorlauf besteht in einer Desachsierung der Nabenbohrung des Kolbens. Diese Desachsierung liegt in der Regel zur Druckseite. Dadurch entsteht im oberen Totpunkt des Verdichtungshubes bei einset­zender Verbrennung ein Kippmoment, das den Kolbenkopf in Richtung Gegendruckseite drückt. Gleichzeitig wird der untere Schaftbereich des Kolbens auf der Gegen­druckseite nach radial außen gedrückt. Es entstehen also in den vorgenannten Schaftbereichen (Gegendruck­seite oben bzw. Druckseite unten) Anlagekräfte, die bei möglichst kleiner elastischer Verformung aufge­nommen werden sollen. Für eine enge Führung des im Kaltzustand gegen die Kolbenkopflängsachse geneigten Schaftes ist es daher vorteilhaft, den Schaft im un­teren Bereich auf der Druckseite steifer als auf der Gegendruckseite auszubilden. Im oberen Schaftbereich soll der Kolbenschaft auf der. Gegendruckseite dagegen wiederum relativ steif sein, um dort den im Kaltzu­stand gegenüber dem unteren Bereich größeren Radial­abstand der Mantelfläche zur Kolbenkopflängsachse si­cherzustellen und nicht durch eine zu hohe elasti­sche Verformbarkeit in diesem Bereich wieder einzu­schränken. Die unterschiedlichen Steifigkeiten lassen sich u.a. durch die Größe der ungestützten Bogenlänge des Schaftes auf Druck- und Gegendruckseite variieren.
  • Geräuschprobleme bestehen bei Warmbetrieb des Motors in der Regel nicht. Dies liegt daran, daß sich das Laufspiel bei warmem Kolben soweit gegenüber dem zu­nächst vorhandenen Kaltspiel erniedrigt hat, daß ein Kolbenkippen, das zu einem Anschlagen des Feuersteges an die Zylinderwand führen kann, praktisch nicht mehr auftritt. Die Erniedrigung des Spieles im warmen Be­triebszustand kann zu einer theoretischen Überdeckung gegenüber der Zylinderlauffläche führen.
  • Soweit aus JP-Abstract 57-81144 ein Kolben für Zwei­taktmotoren bekannt ist, bei dem zur Geräuschreduzie­rung der Schaft ein Profil aufweist, durch das teil­weise eine Kolbenschrägstellung bewirkt wird, fehlen dort die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur geradlinigen Aufrichtung des Kolbens bei zunehmender Motorlast. Nach der Erfindung bestehen diese Maßnahmen insbeson­dere in dem Vorsehen eines Querschlitzes zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft auf der Gegendruckseite sowie in dem Vorsehen eines Regelstreifens in dem oberen Bereich des Kolbenschaftes ausschließlich auf der Gegendruckseite sowie ggf. zusätzlich noch eines weiteren Regelstreifens im unteren Bereich der druck­seitigen Schafthälfte.
  • Unsymmetrische Schaftformen sind darüberhinaus an sich zwar ebenfalls aus DE 35 27 032 A1 bekannt, je­doch fehlen auch dort Hinweise auf die konkrete er­ findungsgemäße Ausgestaltung des Schaftes zur Redu­zierung der Aufschlaggeräusche des Kolbenkopfes.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­stellt. Es zeigen
    • Fig. 1 eine erste Ausführung eines Kolbens im Längsschnitt
    • Fig. 2 den axialen Mantellinienverlauf des kalten und warmen Kolbenschaftes nach Fig. 1 auf der Gegendruckseite
    • Fig. 3 den axialen Mantellinienverlauf des kalten und warmen Kolbenschaftes nach Fig. 1 auf der Druckseite
    • Fig. 4 die schiefe Ausrichtung des kalten Kolbenschaftes nach Fig. 1 innerhalb des Motorenzylinders
    • Fig. 5 die Ausrichtung des warmen Kolbenschaftes nach Fig. 1 während des Motorbetriebes innerhalb des Motorenzylinders
    • Fig. 6 eine Ansicht des Kolbens nach Fig. 1 von unten
    • Fig. 7 den Polarmantellinienverlauf (kalter und warmer Zustand) des Kolbenschaftes in der Ebene VII
    • Fig. 8 den polaren Mantellinienverlauf (kalter und warmer Zustand) des Kolbenschaftes in Ebene VIII
    • Fig. 9 eine zweite Ausführung eines Kolbens im Längsschnitt
    • Fig. 10 den axialen Mantellinienverlauf des kalten und warmen Kolbenschaftes nach Fig. 9 auf der Gegendruckseite
    • Fig. 11 den axialen Mantellinienverlauf des kalten und warmen Kolbenschaftes nach Fig. 9 auf der Druckseite
    • Fig. 12 eine Ansicht des Kolbens nach Fig. 9 von unten
    • Fig. 13 einen Schnitt durch den Kolben in der Ebene XIII
    • Fig. 14 einen Schnitt durch den Kolben in der Ebene XIV
  • Der Kolben besteht aus einer Aluminium-Silizium-Le­gierung. In seinem Kopfteil sind Ringnuten 1 für Kom­ pressionsringe und eine darunterliegende Ringnut 2 für einen Ölabstreifring vorgesehen.
  • Die in der Zeichnung eingetragenen Buchstaben haben folgende Bedeutung:
    • D = maximaler Durchmesser des Kolbens
    • L = maximale Länge des Kolbens
    • H = Kompressionshöhe
    • A = mittlere Schafthöhe unterhalb der untersten Ringnut in einem Umfangsbereich etwa gleicher Schafthöhe von mindestens 90 Grad von jeweils der Druck- und Gegendruckseite
    • DS = Druckseite des Kolbens
    • GDS = Gegendruckseite des Kolbens
    • X = durch den Kolbenkopf bestimmte Längsachse des Kolbens
  • Der Schaft des Kolbens ist auf der Gegendruckseite durch einen Querschlitz 3 von dem Kolbenkopf ge­trennt. Der Querschlitz 3 erstreckt sich in Umfangs­richtung über insgesamt 90 Grad und zwar symmetrisch zu beiden Seiten der durch die Längsachse X in Druck­Gegendruckrichtung verlaufende Ebene.
  • Bei der Kolbenausführung nach Fig. 1 ist ausschließ­lich auf der Gegendruckseite im Inneren des Schaftes in dessen oberen Bereich ein Regelstreifen 4 aus Stahl eingesetzt. Der von diesem Regelstreifen bei sich erwärmendem Kolben ausgehende Regeleffekt bemißt sich auf im Maximum etwa 50 my bei Kolbendurchmessern zwischen 70 und 100 mm.
  • In Fig. 4 ist die Lage des Kolbens nach Fig. 1 einge­zeichnet, die dieser in kaltem Zustand in dem Motor­zylinder beim Verdichtungshub einnimmt. Durch die Pleuelschrägstellung während dieses Hubes liegt der Kolben mit seinem Schaft bei der Abwärtsbewegung auf der Gegendruckseite an. Die Ausrichtung erfolgt in dem Bereich des Kolbenschaftes auf der Gegendrucksei­te durch die dort vorhandene über einen größeren Be­reich geradlinig verlaufende axiale Mantellinie. Der geradlinige Mantellinienverlauf reicht dort von dem unteren Schaftende bis etwa 15% vor dem oberen Schaf­tende. Auf der Druckseite ist der axiale Mantelli­nienverlauf dagegen im wesentlichen ballig. Beim Zu­rückkippen des Kolbens von der Gegendruckseite zur Druckseite in der oberen Totpunktlage des Kolbens kann der Kolben auf der druckseitigen balligen Schaftform weich abrollen. Dadurch wird eine zusätz­liche Verbesserung des Kolbenschaftlaufgeräusches er­reicht.
  • Die entscheidende Geräuschminderung liegt jedoch dar­in, daß der Kolbenkopf an seinem Umfang an der Gegen­druckseite durch den dort geneigten Schaftmantel aus­reichend Abstand zu der Zylinderlauffläche besitzt, um dort bei Teillast oder noch nicht betriebswarmem Motor nicht an die Zylinderwand anzuschlagen.
  • Die Neigung der axialen Mantellinie des Schaftes auf der Gegendruckseite wird in einem solchen Maße ge­wählt, daß im Vollastbetrieb durch den Regeleffekt des Regelstreifens 4 sich ein paralleler Verlauf die­ser Mantellinie zu der Längsachse X einstellt. Der Regelstreifen 4 ist direkt am oberen Ende des Schaf­tes angebracht und reicht im dargestellten Beispiel über eine Höhe von 25% der Schaftgesamtlänge. Der Durchmesser des Feuerstegs des Kolbenkopfes ist ge­ringer als der maximale Durchmesser des Kolbenschaf­tes. Fig. 4 zeigt recht deutlich, wie der Kolbenkopf durch den Schaft bei kaltem Kolben in eine solche Schieflage gebracht wird, daß das Spiel zwischen Ringpartie und Zylinderlauffläche auf der Gegendruck­seite des Kolbens deutlich größer ist als auf der diametral gegenüberliegenden Druckseite des Kolbens. Dadurch wird das Kolbengeräusche verursachende An­schlagen der Ringpartie vermieden.
  • In den Fig. 7 und 8 ist in stark überzeichnetem Maß­stab der umfangsmäßige Mantellinienverlauf des Kol­benschaftes in zwei übereinanderliegenden Ebenen dargestellt.
  • Bei dem Kolben nach Fig. 9 ist zusätzlich zu dem im oberen Schaftbereich auf der Gegendruckseite angeord­neten Regelstreifen 4 noch im unteren Schaftbereich auf der Druckseite ein weiterer Regelstreifen 5 ein­gelegt. Die Regelstreifen 4 und 5 erstrecken sich je­ weils von einem der beiden Naben 6-Bereiche umfangs­mäßig bis vor die senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufende Kolbenkippebene, d.h. die Regelstreifen sind umfangsmäßig im Bereich der Kolbenkippebene von­einander getrennt. Insbesondere aus Gründen eines vereinfachten Einbringens der Regelstreifen beim Gie­ßen der Kolben sind jeweils ein Regelstreifen 4 und 5 zu einem gemeinsamen im Bereich der Kolbennabe 6 ver­bundenen Regelstreifen 7 verbunden.
  • Durch die Regelstreifen 5 im unteren Schaftbereich auf der Druckseite kann der Kolben in diesem unteren Schaftbereich im Kaltzustand mit einem dort derart engen radialenSpiel eingebaut werden, daß auf der Ge­gendruckseite eine Anlage an den dort von oben nach unten innen geneigten Schaftmantel gefördert wird. Dadurch kommt der Kolben beim Kippen zur Gegendruck­seite früher mit der druckseitigen Schaftunterseite zur Anlage, wodurch der Kippwinkel reduziert wird.
  • Über die axiale Höhe wird der Kolbenschaft dadurch in seiner Steifheit verändert, daß die tragenden Schaft­flächen umfangsmäßig ungleich breit sind und jeweils an dem umfangsmäßigen Ende nach radial innen abge­stützt sind. Die unterschiedliche Elastizität in axialer Richtung wird dabei so verteilt, daß der Kol­benschaft auf der Gegendruckseite im oberen Bereich, in dem sich der Regelstreifen 4 befindet steifer als in dem darunterliegenden Schaftbereich geführt ist. Auf der Druckseite wird dagegen der untere Schaftbe­reich steifer ausgeführt als derjenige auf der Gegen­druckseite gegenüberliegende untere Schaftbereich.
  • Die die tragenden Schaftflächen 8, 9 in Richtung zur Kolbenachse verbindenden Wände 10 sind in ihrem Ver­lauf durch die Form der sich über die Höhe des Schaf­tes verändernden Tragflächen 8, 9 vorgegeben. Die Na­ben 6 können radial über diese Wände 10 hinausragen. Am unteren Schaftende kann aus fertigungstechnischen Gründen ein schmaler umlaufender Ringbund 11 vorgese­hen sein. Ein solcher Ringbund ermöglicht es, den Kolben rollend durch die einzelnen Fertigungsstatio­nen zu transportieren.

Claims (16)

1. Leichtmetall-Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem die Kolbenringnuten enthaltenden Kolben­kopf und einem sich unterhalb der untersten Rin­gnut anschließenden Kolbenschaft mit folgenden Eigenschaften:
- der Kolbenkopf besitzt eine Längsachse X, die die Achse für dessen axiale Mantellinien ist,
- der Kolbenschaft ist auf der Gegendruckseite durch einen Querschlitz vom Kolbenkopf getrennt,
- im Inneren des Kolbenschaftes sind an dessen obe­rem Ende Regelstreifen (4) vorgesehen, deren Mate­rial einen gegenüber dem Leichtmetall des Kolbens geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, gekennzeichnet durch die Merkmale:
die Regelstreifen (4) sind auf die zur Gegendruck­seite gelegene Hälfte des Schaftes beschränkt,
zumindest im Kaltzustand des Kolbens ist die druckseitige Mantellinie (DK) gekrümmt,
im Kaltzustand des Kolbens verläuft die gegen­druckseitige Mantellinie (GK) so, daß sich minde­stens in dem mittleren Drittel der Schafthöhe ihr Abstand gegenüber der Längsachse X zum Schaftende hin kontinuierlich verringert und in diesem Höhen­bereich im wesentlichen geradlinig ist.
2. Leichtmetall-Tauchkolben für Verbrennungsmotoren mit einem die Kolbenringnuten enthaltenden Kolben­kopf und einem sich unterhalb der untersten Rin­gnut anschließenden Kolbenschaft mit folgenden Eigenschaften:
- der Kolbenkopf besitzt eine Längsachse X, die die Achse für dessen axiale Mantellinien ist,
- der Kolbenschaft ist auf der Gegendruckseite durch einen Querschlitz vom Kolbenkopf getrennt,
- im Inneren des Kolbenschaftes sind an dessen obe­rem Ende Regelstreifen (4) vorgesehen, deren Mate­rial einen gegenüber dem Leichtmetall des Kolbens geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, gekennzeichnet durch die Merkmale:
die am oberen Ende des Kolbenschaftes liegenden Regelstreifen (4) sind auf die zur Gegendruckseite gelegene Hälfte des Schaftes beschränkt,
im Kaltzustand des Kolbens verläuft die gegen­druckseitige Mantellinie (GK) so, daß sich minde­stens in dem mittleren Drittel der Schafthöhe ihr Abstand gegenüber der Längsachse X zum Schaftende hin kontinuierlich verringert und in diesem Höhen­bereich im wesentlichen geradlinig ist,
auf der druckseitigen Hälfte des Schaftes sind an dessen unterem Ende weitere Regelstreifen (5) vor­gesehen, deren Material einen gegenüber dem Leichtmetall des Kolbens geringeren Wärmeausdeh­nungskoeffizienten besitzt,
im Bereich dieser Regelstreifen (5) ist im Kaltzu­stand des Kolbens der radiale Abstand der druck­seitigen Schaftmantellinien (DK) gegenüber der Kolbenlängsachse am größten.
3. Leichtmetall-Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft in seinem oberen Bereich auf der Gegendruckseite über einen kleineren Umfang an der Wand des Motorzylinders anliegt als auf der Druckseite während dies in dem unteren Schaftbereich genau umgekehrt ist und daß die an der Zylinderwand anliegenden Schaftabschnitte je­weils an ihren umfangsmäßigen Enden über die Schafthöhe in Richtung der Kolbenachse abgestützt sind, wobei die an der Zylinderwand anlaufenden Schaftflächen symmetrisch zur Kolbenkippebene (die Kolbenlängsachse aufnehmende und senkrecht zur Bolzenachse verlaufende Ebene) ausgerichtet sind, wobei am unteren Schaftende als Abschluß ein über den gesamten Umfang verlaufender schma­ler Ringbund vorgesehen sein kann.
4. Leichtmetall-Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Druck- und Gegendruckseite liegenden Regelstreifen (4, 5) miteinander verbunden sind.
5. Leichtmetall-Tauchkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt zwei Regelstreifen vorgesehen sind, von denen jeder einen der beiden Naben (6)-Berei­che des Kolbens durchläuft und jeweils vor der Kolbenkippebene endet.
6. Leichtmetall-Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kaltzustand des Kolbens die gegendrucksei­tige Mantellinie (GK) so verläuft, daß sich in einem Bereich zwischen dem unteren Ende und dem oberen Viertel des Kolbenschaftes ihr Abstand ge­genüber der Längsachse X zum Schaftende hin kon­tinuierlich verringert.
7. Leichtmetall-Tauchkolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kaltzustand des Kolbens die gegendrucksei­tige Mantellinie (GK) so verläuft, daß sich in einem Bereich zwischen dem unteren Ende und den oberen 10% der Höhe des Kolbenschaftes ihr Ab­stand gegenüber der Längsachse X zum Schaftende hin kontinuierlich verringert.
8. Leichtmetall-Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 definierte Verlauf der gegendruckseitigen Man­tellinie (GK) sich über einen Umfang von mindestens 30 Grad erstreckt.
9. Leichtmetall-Tauchkolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, durch folgende Abmessungen:
L = (0,45 - 0,65) × D
A = (0,25 - 0,4) × D
H = (0,3 - 0,4) × D mit:
D = maximaler Durchmesser des Kolbens
L = maximale Länge des Kolbens
H = Kompressionshöhe
A = mittlere Schafthöhe unterhalb der untersten Ringnut in einem Umfangs­bereich mit etwa gleicher Schafthöhe von mindestens 60 Grad sowohl auf der Druck- als auch auf der Gegendruckseite.
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