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Kolben.
Die Erfindung bezieht sich auf Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere auf Kolben aus Leichtmetall, bei welchen, um der Ausdehnung des Metalls infolge der Erwärmung Rechnung zu tragen, der Mantel des Kolbens elastisch nachgibt, um sich dem Zylinder so vollkommen als möglich anzupassen.
Zu diesem Zwecke weisen die Kolben dieser Art im allgemeinen einen Kopf auf, der den Boden des Kolbens, den Kranz für die Kolbenringe und die Lager für den Kolbenzapfen bildet, sowie einen der Länge nach geschlitzten und mit dem Kopf verbundenen Mantel.
Es wurden bereits mehrere Mittel vorgeschlagen, um zwischen dem Kopf und dem geschlitzten Mantel eine Verbindung herzustellen, die in der Längsrichtung des Kolbens starr ist und in der Querrichtung nachgiebig. Diese Mittel genügten jedoch nicht, um eine vollkommene Anpassung des Mantels an die Zylinderwand zu bewirken.
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in dem dem Längsschlitz gegenüberliegenden Bereich der Mantel mit dem starren Teil des Kolbens zu beiden Seiten seines Schlitzes durch lange flache Teile verbunden ist, die sich nur in einer Richtung biegen können und derait angeordnet sind, dass sie den grössten Widerstand in der Längsrichtung des Kolbens und den kleinsten Widerstand in seiner radialen Richtung entgegensetzen.
Die Zeichnung zeigt mehrere Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Kolbens, der aus einem einzigen Gussstück besteht, Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch die Bolzenlager, Fig. 3 ein Axialschnitt senkrecht zur Schnittebene der Fig. 2, Fig. 4 zeigt einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 2, Fig. 6 ist ein Axialschnitt eines Kolbens mit aufgesetztem Mantel, Fig. 7 zeigt eine Untersicht dieses Kolbens. Die Fig. 8-13 zeigen verschiedene Ausführungsformen der elastischen Vereinigung des Mantels mit dem starren Kopf bei einem aus einem Gussstück bestehenden Kolben. In den Fig. 14-16 sind Mittel zur Begrenzung der elastischen Zusammenziehung des Mantels dargestellt.
Fig. 17 zeigt eine andere Art des Kolbens mit auf den starren Kopf aufgesetztem Mantel und die Fig. 18 und 19 zeigen eine Einzelheit der elastischen Verbindung zwischen dem Kopf und dem Mantel.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1-5 wird der Kolben von einem Hohlkörper mit dem Boden 1, dem Kranz 2 mit Nuten 3 für die Kolbenringe und einem glatten Mantel 4 gebildet. Mit dem Boden 1, der im mit 5 und mit 2 sind die 6' fest verbunden.
Um die Bolzenaugen 6,6'fest mit dem Boden 1 und dem Kranz 2 zu verbinden, sind im Kopf des Kolbens Rippen 7, l'vorgesehen, die sich in den vom Mantel 4 umschlossenen Raum fortsetzen.
Diese beiden Rippen 7, 7'liegen mit den Stirnflächen der Bolzenaugen 6,6'in einer Ebene und erstrecken sich von den Bolzenaugen gegen die eine Hälfte des Kolbenmantels, mit dem sie fest verbunden sind.
Der andere Mantelteil (in bezug auf die Bolzenaugenachse) wird von einem Längsschlitz 8 durchsetzt, wobei beidseits dieses Schlitzes mit der Innenfläche des Mantels die Enden von Leisten 9,9'verbunden sind, die vom Kopfe ausgehen, wo sie mit dem Boden 1 oder mit dem Kranz 2 oder mit beiden verbunden sind und sich über einen bestimmten Teil des vom Mantel 4 begrenzten Raumes erstrecken.
Der Mantel 4 und der Kranz 2 sind voneinander durch einen Schlitz 10 getrennt, der bei den Bolzenaugen nach abwärts verläuft, deren untere Hälfte umgebend und sich über einen grossen Teil
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des Umfanges bis zu den Aussenseiten der Rippen 1, l'erstreckt, zwischen denen, wie die Fig. 3 und 5 zeigen, die Seitenwand innen eine Rippe 11 aufweist, die den Mantel 4 mit dem Kranz 2 verbindet.
Diese Rippe 11 und die beiden Rippen 7, 1', die sich in der Längsrichtung über einen bestimmten Teil des Mantels 4 erstrecken, schaffen eine auf einen schmalen Bereich des Mantels begrenzte starre Verbindung zwischen dem Kopf und dem Mantel, dessen übriger Teil aber infolge des Schlitzes 8 und. seiner Trennung vom Kopf durch den Schlitz 10 elastisch nachgeben kann. Tatsächlich verhindern die Leisten 9,9', die zur Verbindung des Kopfes mit dem Mantel 4 in der Längsrichtung dienen, infolge ihrer durch ihre Länge und ihrer geringen Querschnitt bedingten Biegsamkeit nicht die Formänderung des Mantels 4 in der Querrichtung.
Die Verbindung zwischen dem Mantel 4 und dem Kranz 2 könnte auch nur von den Rippen 7, l' (unter Entfall der Rippe 11) hergestellt werden, in welchem Falle der Schlitz 10 auch zwischen den Rippen forgesetzt wird.
Die Rippen 7, 7'können voneinander mehr oder weniger entfernt und mit dem Mantel 4 über eine kürzere oder längere Strecke verbunden sein. Es könnten auch nur eine Rippe oder mehr als zwei Rippen vorgesehen sein. Ebenso können die Leisten 9,9'eine grössere oder geringere Länge aufweisen.
Der Kolben besitzt somit die notwendige Starrheit im Kopf und in einem grösseren oder kleineren Abschnitt des Mantels 4, wo der stärkste seitliche Druck des Kolbens ausgeübt wird, während der übrige Teil des Mantels 4 seine Form in diametraler Richtung frei verändern kann, ohne die relative Lage der Bolzenaugen zu verändern. Man kann daher dem Mantel einen etwas grösseren Durchmesser als der des Zylinders geben, um eine vollkommene Berührung des Mantels mit der Innenfläche des Zylinders auch nach Abnutzung zu sichern, ohne dass sich, trotz der durch die Erwärmung verursachten Dehnung, der Kolben im Zylinder verkeilt.
Der Mantel kann auch, anstatt mit dem Kopfteil ein einziges Stück zu bilden, einen gesonderten Teil darstellen und an einem Gerippe befestigt werden, das mit dem Kopf des Kolbens vereinigt ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines Kolbens dieser Art ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. 1 bezeichnet wieder den Boden des Kolbens, 2 den genuteten Kranz und 6,6'die Bolzenaugen. Die Rippen 7, 1', welche die Bolzenaugen 6, 6' mit dem Boden 1 und dem Kranz 2 des Kopfes verbinden, sowie die Leisten 9, 9' bilden mit dem Kopf ein einziges Stück Sie sind längs ihrer äusseren Ränder von Teilen von Zylinderflächen begrenzt, die Stützen für den Mantel 4'bilden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Rippen 7, 7'an ihrem äusseren Ende durch einen zylinderförmigen Abschnitt 11'vereinigt, der mit dem Kranz 2 verbunden sein kann und der eine Stütze für. den Mantel 4'bildet. Die Leisten 9,9'besitzen an ihrem freien Ende Zungen, die beispielsweise durch gebogene Fortsätze 12, 12'gebildet werden. Die Rippen 1, 7' könnten auch voneinander an ihren äusseren Enden getrennt sein und ebenfalls Zungen bilden. Die Leisten 9, 9'könnten an ihren Enden auch Teile von anderer Form für ihre Verbindung mit dem Mantel 4'aufweisen.
Der Mantel 4', der aus gewalztem oder gezogenem Metall sein kann, ist an den Rippen 7, 7'bzw. am Abschnitt 11'und an den Leisten 9,9'mittels Schrauben oder Nieten 13 befestigt. Die achsparallelen Ränder des Mantels 4'sind mit Lappen 14 versehen, die sich derart übergreifen, dass ein mäanderförmiger (zickzackförmiger) Längsschlitz 8'gebildet wird.
Die Fig. 8 und 9 zeigen im Axialschnitt zwei Arten von Kolben, die dem in den Fig. 1-5 dargestellten ähnlich sind, mit dem Unterschied, dass die elastische Verbindung zwischen dem starren Kopf 1, 2 und dem Mantel 4 in dem vom Längsschlitz 8 durchsetzten Bereich durch Leisten 16 bewirkt wird, von denen jede mit einem Ende mit dem Mantel und mit dem andern Ende mit einem der Bolzenaugen 6,6'verbunden ist, die mit dem Boden 1 und dem Kranz 2 aus einem Stück bestehen.
Die Leisten 16 müssen in der Querrichtung des Mantels 4 genügend biegsam sein, was entweder durch ihren geringen Querschnitt oder durch ihre Länge oder durch beide Eigenschaften zugleich bewirkt wird, wogegen die Leisten in der Längsrichtung des Kolbens genügende Abmessungen aufweisen, um eine genügend starre Verbindung zwischen dem Kopf und dem Mantel in der Längsrichtung des Kolbens zu sichern. Die Leisten 16 gehen von den Bolzenaugen 6,6'aus und sind abgebogen, um sich mit dem Mantel 4 in der Nähe seines oberen, dem Kranz 2 benachbarten Randes (Fig. 8) oder in der Nähe des unteren Randes (Fig. 9) zu vereinigen.
Gemäss den Fig. 10 und 11, die im Axialschnitt und in Untersicht eine andere Ausführungsform des Kolbens zeigen, sind der Mantel 4 und der Kranz 2 durch einen Schlitz 10 getrennt, der sich über den ganzen Umfang erstreckt. Die genannten Teile sind durch die Bolzenaugen 6,6'verbunden, die einerseits mit dem Boden 1 durch Rippen 17, 17'und anderseits mit dem Mantel 4 durch Rippen 7, 7' verbunden sind.
Die elastische Verbindung mit dem Mantel 4 zu beiden Seiten des Längsschlitzes 8 wird durch zwei Leisten 18, 18'bewirkt, die zu der zur Achse des Kolbenbolzens senkrechten Axialebene parallel sind. Diese Leisten sind mit dem Mantel 4 mit einem Ende im Bereich zwischen den Rippen 7, 7' und mit dem andern Ende in der Nähe des Schlitzes 8 verbunden. Die Leisten 18, 18'sind von den Bolzenaugen 6, 6' getrennt, indem sie diese unter Belassung eines Zwischenraumes umgeben. Infolge ihrer geringen Stärke und ihrer Länge ermöglichen sie ein elastisches Nachgeben des Mantels 4 in der Querrichtung.
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Die Fig. 12 und 13 zeigen im Axialschnitt zwei Ausführungsformen von Kolben, die sich von dem in den Fig. 1-5 dargestellten durch die Art der elastischen Verbindung des Mantels 4 mit dem starren Kopf unterscheiden. Gemäss Fig. 12 sind die Leisten 9 mit einem Ende mit dem Mantel 4 und mit dem andern Ende mit den Rippen 17 verbunden, die den Boden 1 samt Kranz 2 mit den Bolzenaugen 6 verbinden. Gemäss Fig. 13 ist das eine Ende der Leisten 9 mit dem Mantel 4, das andere Ende mit dem
Kranz 2 verbunden.
Die Fig. 14 und 15 zeigen im Axialschnitt und in Untersicht einen Kolben von der in den Fig. 1-5 dargestellten Art, bei welchem die elastische Formänderung des Mantels 4 einen bestimmten Wert nicht überschreiten kann.
Zu diesem Zweck sind gegenüber dem inneren Rand der Leisten 9,9'auf den Seitenflächen der
Bolzenaugen 6, 6'Vorsprünge 19, 19'vorgesehen, gegen welche die Leisten 9, 9' zum Anliegen kommen, wenn der Mantel 4 die gewünschte grösste Formveränderung erfahren hat. Auf diese Weise kann der
Mantel 4 nur bis zu einem bestimmten Punkt nachgeben, so dass man durch entsprechende Bemessung des
Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen der Vorsprünge 19, 19'und der Leisten 9,9' in der Ruhelage erreichen kann, dass die elastische Formänderung des Mantels 4 beim Lauf des Zylinders die Elastizitätsgrenze des Metalls nicht überschreitet. Man verhindert so, dass bei starker Erwärmung des Zylinders der Mantel 4 eine dauernde Formänderung erleidet.
Demselben Zweck dienen die Fortsätze 20,20'an der Unterseite der Bolzenaugen 6,6' (Fig. 14 und 16).
Die gleiche Wirkung kann natürlich auch durch Anschläge erreicht werden, die an irgendeiner andern Stelle des Kolbenteiles angeordnet sind, der mit dem Kopf starr verbunden ist, und gegen die der Mantel 4 nach einer Formänderung von bestimmter Grösse zum Anliegen kommt. Statt, wie gemäss den Fig. 14-16, die Anschläge 19 und 20 gemeinsam zu verwenden, kann auch nur eine der beiden Arten dieser Anschläge Verwendung finden.
Das gleiche Ergebnis kann erzielt werden, wie Fig. 17 zeigt, sowohl bei in einem Stück gegossenen
Kolben als auch bei Kolben mit aufgesetztem elastischem Mantel, wenn man die Bolzenaugen 6,6'mit Zungen 24 versieht, die in an der Innenseite des Mantels 4'vorgesehene Lager 25 eingreifen. Auch in diesem Falle erhält man unter Belassung eines entsprechenden Spieles zwischen den Enden der Zungen 24 und dem Boden der Lager 25 eine elastische Verbindung zwischen dem starren Kopf und dem elastischen Mantel im Bereich des Längsschlitzes 8 und gleichzeitig eine Begrenzung der Formänderung des Mantels 4', so dass dieselbe die Elastizitätsgrenze nicht überschreiten kann.
Um schliesslich die Elastizität der Verbindung zwischen dem starren Kopf 1, 2 des Kolbens und dem elastischen Mantel 4 bzw. 4'zu verbessern, ist es vorteilhaft, den Leisten, die diese Verbindung herstellen, eine Fbrm zu geben, die das Abbiegen begünstigt, was insbesondere durch einen vom Befestigungspunkt am starren Kopf an allmählich abnehmenden Querschnitt erzielt wird.
In den Fig. 18 und 19 ist diese Ausbildung der Leisten 9,9'eines Kolbens der in den Fig. 1-5 dargestellten Art gezeigt.
Gemäss Fig. 18 hat jede Leiste 9 eine nach unten zu abnehmende Dicke, während gemäss Fig. 19 die Leisten 9 abnehmende Breite aufweisen. Diese beiden Formgebungen können auch miteinander kombiniert sowie getrennt oder gemeinsam auf Leisten von verschiedener Form angewendet werden (wie z. B. auf die Leisten 16 oder 18), die dazu bestimmt sind, den Mantel 4 elastisch mit dem starren Teil des Kolbens zu verbinden.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen dieses Kolbens ist sein Mantel derart elastisch, dass er schon mit einer elastischen Formänderung in den Motorzylinder eingebracht werden kann, d. h. der Mantel 4 oder 4'des Kolbens kann vor seiner Einführung in den Zylinder einen etwas grösseren Durchmesser haben als der innere Durchmesser des Zylinders.
Es ist infolgedessen zur Erzielung einer möglichst vollkommenen Dichtheit des Kolbens notwendig, dass er einen genau kreisförmigen Querschnitt aufweist und dass er mit den Kolbenringen gleichachsig ist, wenn der Kolben in den Motorzylinder eingebracht ist und durch die Erwärmung ausgedehnt wird.
Zu diesem Zwecke ist es notwendig, den Mantel 4 derart zu formen, dass er bei normaler Temperatur gegen den Längsschlitz hin um einen Betrag exzentrisch ist, welcher der Formänderung entspricht, die er bei seiner Einführung in den Zylinder und nach der durch die Erwärmung bewirkten Ausdehnung erfahren soll. Eine solche Bedingung kann auf mehrere Arten verwirldicht werden.
Man kann z. B. einen Kolben mit einem Durchmesser herstellen, der genau dem inneren Durchmesser des Zylinders gleich ist, wobei man dafür Sorge trägt, dass während des Giessens oder während des Härtens oder während beider Vorgänge das Metall im Inneren früher abgekühlt wird als aussen, z. B. durch Einspritzen eines kalten Mittels in das Innere des Kolbens.
Dann wird der Schnitt zur Bildung des Schlitzes 10 ausgeführt, der den Mantel 4 vom starren Kopf 1, 2 trennt, und der Schnitt zur Bildung des Längsschlitzes 8 des Mantels 4, worauf sich der Mantel ausdehnt und eine leicht ovale und exzentrische Form einnimmt, die verschwindet, wenn der Kolben in den Zylinder eingeführt und erwärmt wird.
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Es ist auch möglich, die Schnitte vor dem Härten vorzunehmen und in den Längsschlitz 8 des Mantels 4 einen Teil von grösserer Dicke als die Schlitzbreite einzuführen, um dem Mantel 4 die gewünschte Exzentrizität zu geben. Dann erfolgt das Härten, wobei man die Erwärmung und die Abkühlung derart durchführt, dass die thermischen Veränderungen gleichzeitig sowohl auf der Innen-als auch auf der Aussenseite des Kolbens erzeugt werden, indem man den Kolben in entsprechender Lage in das kalte Mittel taucht. Auf diese Weise wird die exzentrische Form festgelegt, die der Mantel 4 infolge der Einführung eines Teiles grösserer Dicke in seinen Längsschlitz 8 eingenommen hat, welche Form aber verschwindet, sobald sich der Kolben im Zylinder befindet.
Man kann aber auch, nachdem man die Schnitte zur Trennung des starren Kopfes vom Mantel 4 und zur Bildung des Längsschlitzes 8 des Mantels ausgeführt hat, durch mechanische Mittel eine dauernde exzentrische Formänderung des Mantels 4 bewirken.
In allen Fällen hat der Mantel 4, wenn sich der Kolben nicht im Zylinder befindet, eine exzentrische Form und einen etwas grösseren Durchmesser als der innere Durchmesser des Zylinders, während der Mantel nach der gewaltsamen Einführung des Kolbens in den Zylinder und wenn er erwärmt wird, einen praktisch kreisförmigen Querschnitt annimmt, der sich in allen Punkten der Innenfläche des Zylinders anpasst.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Kolben mit starrem Kopf und durch einen Längsschlitz elastisch gemachtem Mantel, der mit dem Kopf in der Längsrichtung starr und in der Querrichtung nachgiebig verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ausser einer unmittelbaren Verbindung des Kopfes mit dem Mantel in dem dem Längsschlitz gegenüberliegenden Bereich der Mantel mit dem starren Teil des Kolbens zu beiden Seiten des Schlitzes durch lange, flache Teile verbunden ist, die sich nur in einer Richtung biegen können und derart angeordnet sind, dass sie den grössten Widerstand in der Längsrichtung des Kolbens und den kleinsten Widerstand in seiner radialen Richtung entgegensetzen.