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Leichtmetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen.
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, z. B. für Kraftfahrzeuge, der durch seine Bauart ein bequemes Formen für den Guss, ein leichtes Schleifen auf Zylinderschleifmasehinen ermöglicht und dabei den an solchen Kolben gestellten Anforderungen an gleichmässige Verteilung der Druckkräfte auf die Zylinderwand, an guter Wärmeabfuhr und an gleichmässige Abnutzung aller Gleitflächen usw. entspricht.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen eines erfindungsgemäss gestalteten Kolbens dargestellt.
Fig. 1 ist ein Schaubild des Kolbens gemäss der Erfindung ; Fig. 2 ist eine Ansicht des Kolbens ; Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch die Zapfenlager ; Fig. 4 ist ein Längsschnitt, der rechtwinkelig zu Fig. 3 geführt ist. Fig. 5 ist ein Schnitt auf Linie 5-5 der Fig. 4 ; Fig. 6 ist ein Schnitt nach Linie 6-6 der Fig. 3 ; Fig. 7 ist ein Schnitt nach Linie 7-7 der Fig. 4 ; Fig. 8 ist ein der Fig. 3 ähnlicher Schnitt, zeigt aber eine abgeänderte Ausführungsform. Fig. 9 ist eine Ansicht einer abgeänderten Ausführungsform
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Linie 14-14 der Fig. 13. Fig. 15 ist eine bruchstückartige Teilansicht, in der eine abgeänderte Ausführungsform einer Rippe gezeigt ist.
Fig. 16 ist eine der Fig. 15 ähnliche Ansicht und zeigt eine weitere Abänderung.
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zapfenlager 20 tragenden ebenen Stützwänden 14 und 15 und den kreiszylindrischen Laufmantelteilen 16 und 17, deren Aussenseiten die Gleitflächen des Kolbens bilden. Die Laufmantelteile 16 und 17 sind oben durch je einen Schlitz 18, der durch die ganze Wand hindurchgeht, vom Kolbenkopfe 10 getrennt. Die
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ein, die das Entstehen von Rissbildungen durch innere Spannungen im Metall verhindern sollen.
Die eigentlichen Gleitflächen erstrecken sich nicht über die ganze Breite der Laufmantelteile 16 und 17. Diese Laufmantelteile sind vielmehr seitlich etwas abgesetzt. Die Grenze zwischen diesen Absetzungen 30 und den Gleitflächen ist durch eine Kante 31 gebildet, die nach einer gekrümmten, gegen den Kolbenkopf zu schräg zusammenlaufenden Linie verläuft (Fig. 1, 2,9, 11 und 13). Die Absetzungen 30 sind jedoch nicht durch Ausfräsen hergestellt, sondern werden schon beim Gusse gebildet. An der Stelle der Absetzungen ist die Wand der Laufmantelteile von gleicher Dicke wie an den Gleit- flächen. Daher tritt die innere Wandfläche hinter den Absetzungen etwas in das Kolbeninnere zurück, wie die Fig. 5 und 6 erkennen lassen.
Der seitliche Übergang der Laufmantelteile 16 und 17 in die Stützwände 14 und 15 verläuft ganz im Bereiche der Absetzungen 30.
Einer der beiden Laufmantelteile, beispielsweise 17, hat einen von seiner oberen bis zur unteren Kante durchgehenden Schlitz 32.
Unterhalb der Kolbenzapfenlager 20 verbindet je ein bandartiger Mantelstreifen 26 die beiden Laufmantelteile 16 und 17 miteinander, so dass der Kolbenkörper am unteren Rande eine geschlossene Ringzone bildet, die nur durch den Schlitz 32 durchbrochen ist. Die Mantelstreifen 26 sind mittels einer Rippe 27 gegen die Kolbenzapfenlager 20 verspreizt.
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Die bisher gebräuchlichen Absetzungen der Laufmantelteile waren in der Regel seitlich von einer längs einer Erzeugenden verlaufenden Kante begrenzt. Dadurch entstanden scharfe Ecken an den oberen Enden der Gleitflächen, die sich in die Zylinderwand einarbeiten, weil oben die durch die Wärmedehnung hervorgerufene Anpressung des Kolbens am stärksten ist. Die Dichtungsringe mussten dann bald versagen. Verläuft die Absetzkante dagegen nach einer gekrümmten Linie, dann verteilt sich der Anpressdruck auf einen breiteren zylindrischen Teil. Die obere Ecke der Gleitfläche bei Q (Fig. 2) kommt schon in die Nähe des Schlitzes 32 zu liegen, liegt also nicht mehr in der Nähe des Punktes 0, wo der Schlitz 18 beginnt. Im Punkte Q kann sich aber kein so hoher Anpressdruck entwickeln, weil dort der Laufmantel schon stärker federn kann.
Nach unten zu nimmt die Breite der Gleitfläche rasch zu, so dass sich der Anpressdruck über eine grössere Fläche verteilt, und ausserdem federn die unteren freien Enden der Laufmantelteile auch noch stärker als die oberen, so dass die Abnutzung der Gleitflächen und der Zylinderwand sowohl wegen des geringeren Anpressdruckes als auch wegen seiner Verteilung über eine grössere Zylinderfläche gleichmässiger vonstatten geht. Daher kann der Kolben von Anfang an genauer und strenger in die Zylinderbohrung passend ausgeführt werden, weil die Flächenreibung vermindert ist, was der Lebensdauer des Kolbens zugute kommt.
Auch noch in anderer Weise würde sich eine in der Richtung 0-P verlaufende gerade Absetzungskante ungünstig auswirken. Denn gerade an. dieser Stelle ist wegen der dahinter gelegenen Stützwände 14 und 15 der Anpressdruck unter der Wirkung der Wärmedehnung besonders gross.
Er würde sich in zusätzliche Reibungswärme umsetzen, die eine örtliche Überhitzung des Metalls zur Folge hätte. Überdies würde das Biegungsmoment, das durch den Anpressdruck an der Stelle H, L, i längs der Linie O-P hervorgerufen wird, durch die übermässige Inanspruchnahme dieser Stelle eine bleibende Biegung hervorrufen, so dass die ganzen Gleitflächen nicht-mehr satt an der-Zylinderlauffläche anliegen würden. Durch Erhitzung bis zum Schmelzpunkte des Metalls an der Aussenseite längs der Linie 0-P können die Gleit- flächen längs der Linie H-L-I bis zu 0-25 mm und mehr nachgeben.
Zu dem Zwecke, um das Gewicht der Kolben eines ganzen Satzes auf das genaueste ausgleichen zu können, ist im Inneren der Kolben unten an den bogenförmigen Mantelstreifen 26 je eine bogenförmige Rippe 33, 84 (Fig. 11-16) angegossen, die sich aber nicht bis in den Mittelteil der Laufmantelteile 16 und 17 erstrecken (Fig. 11,12, 14), so dass dort die Mantelwand von oben. bis zum unteren Rande glatt verläuft.
Es ist daher möglich, solche Kolben trotz der Rippen 33,34 mit einem bloss'dreiteiligen Kern zu giessen. Durch mehr oder minder ausgiebige Wegarbeiten des Rippenmetalls werden die Kolben auf genau gleiches Gewicht gebracht. Am bequemsten ist es, die innere Mantelfläche der Rippen weg- zuarbeiten.
Querüber sind die Rippen 33,34 gefurcht, u. zw.-durchschneiden eine oder mehrere Furchen 35 die Rippen so, dass sie in mehrere getrennte, zahnähnliche Teile geteilt sind. Hiedurch wird ein Verzerren des Kolbens durch Gussspannungen vermieden, was bei vollen Rippen leicht eintreten kann. Dies ist deshalb sehr wichtig, weil die Kolben erst nach vollständigem Fertigstellen ihrer Aussenseiten zum Gewichtsausgleiche an den Rippen 33, 34 bearbeitet werden sollen.
Wären die Rippen voll durchlaufend, dann könnten sich beim'Abarbeiten Gussspannungen lösen, die während der Aussenbearbeitung des Kolbens gebunden waren, und der Mantel würde dann beim Ausgleichen des Gewichtes unrund werden. Überdies behält der Mantel immer die gleiche Steifigkeit, wie viel oder wie wenig von den gefurchten Rippen auch abgearbeitet werden mag.-Bei-vollen Rippen verliert er dagegen mit dem Masse des Wegarbeitens der Rippen auch an Steifigkeit.
Bei dem in den Fig. 11 und 12 abgebildeten Kolben ist unterhalb der Gewichtsausgleichrippen 33,34 am untersten Rande des Mantels noch eine'Verstärkungsrippe 36 angebracht. Die Fig. 15 und 16 zeigen
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nach beiden Seiten hin abnehmen und ihre Innenfläche elliptisch sein (Fig. 12).
Die in Fig. 15 dargestellte Ausgleichsrippe 37 hat kreisförmige Innenfläche 39 und eine abgeschrägte Unterkante 38. Beim Abarbeiten von Metall zum Gewichtsausgleich sollen hier diese beiden Flächen 38 und 39 unverändert gelassen werden, um'beim maschinellen Bearbeiten des Kolbens als Anlageflächen verwendet werden zu können. Der Gewichtsausgleich wird hier durch Abarbeiten der oberen Fläche 41 der Rippe geschaffen und die Rippe daher beim Gusse etwas breiter gemacht als sonst.
Soll die Mantelwand des Kolbens am unteren Ende dünn und nachgiebig sein, wie es zuweilen verlangt wird (Fig. 3 und 4), dann darf die Wandstärke an dieser Stelle nur so weit verringert werden,
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steifung für die maschinelle Bearbeitung und eine Verstärkung des untersten Randes zu haben, kann eine ganz leichte Rippe 42 mit Querfurchen 35 den untersten Rand begrenzen (Fig. 16), die nur eine ganz unbedeutenden Gewichtsvermehrung zur Folge hat. Die gefurchten Rippen nach den Fig. 15 und 16 haben zweckmässigerweise kreisförmige Innenflächen wie in Fig. 14.
Die durch die Rippen erzielte Versteifung kann durch Änderung der Furchentiefe oder Furchenanzahl dem Bedarfe angepasst werden.
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Um beim Gusse des Kolbens mit drei Kernen auskommen zu können, werden die Furchen 35 parallel zu der durch Kolbenachse und Zapfenlageraehse bestimmten Ebene gemacht, wie dies in den
Fig. 12 und 14 dargestellt ist. Dann lassen sich die beiden die Furchen bildenden Kerne nach Heraus- nehmen des mittleren Kernes nach der Mitte zu verschieben und entfernen.
Bei der in den Fig. 1-8 dargestellten Ausführungsform geht der obere Teil jeder Stützwand 14 und 15 mit einer Krümmung in die Mantelwand des Kolbenkopfes 10 über. An der Übergangsstelle befinden sich aussen und innen am Kolben Verstärkungsrippen. Aussen verbindet je eine Rippe 21 das
Kolbenzapfenlager 20 mit der Mantelwand des Kolbenkopfes. Je eine seitliche Rippe 22 läuft unmittelbar neben den Öffnungen 19 von der Kolbenmantelwand in die Stützwände 14 und 15 herab. Innen im Kolben läuft eine Mittelrippe 23 von dem einen Zapfenlager 20 über die Kolbendecke zum andern Zapfenlager 20.
Zwei seitliche Rippen 24 gehen von den Zapfenlagern 90 schräg auseinander nach oben zum Kolbenkopfe.
Alle diese Rippen, insbesondere die schrägen Rippen 24, versteifen die Verbindung zwischen dem Kolbenkopfe und den Kolbenzapfenlagern in ganz ausserordentlichem Masse, so dass gegenseitiges Verziehen oder irgendwelche Lageänderungen ausgeschlossen sind. Unzulässige Formänderungen des Kolbenkopfes würden die Dichtungsringnuten 11 verziehen und ein ordnungsgemässes Arbeiten der Kolbenringe unmöglich machen.
Der Kolbenkopf ist aber noch weiter vor Formänderungen geschützt durch eine Verdickungwulst 25 oberhalb jedes Schlitzes 18, also dort, wo das Biegungsmoment am grössten ist.
Der grösste Teil des Kolbenzapfendruckes wird auf die inneren Enden der Zapfenlager 20 übertragen. Daher sind die inneren Versteifungsrippen 23 und 24 an diese inneren Enden herangeführt, um ihnen die nötige Steifigkeit zu geben.
Die Unterkanten der Stützwände 14 und 15 reichen etwa so tief wie die Unterseite der Zapfenlager 20 ; von diesen zieht sich dann je eine Versteifungsrippe 27 zu den bogenförmigen Mantelstreifen 26 zwischen den Laufmantelteilen 16 und 17. In diese gekrümmte Versteifungsrippe 27 hinein ist dann noch eine weitere Rippe 28 mittlings vom Zapfenlager 20 herabgeführt (Fig. 1-3).
Die bandförmigen Mantelstreifen 26 sind durch Innenflanschen 29 versteift (Fig. 3,4 und 7), die sich von einem Laufmantelteile 16 zum andern 17 erstrecken, deren Mittelteil aber frei lassen (Fig. 3). Diese Flanschen 29 werden beim Gusse so breit gemacht, dass sie zwecks Gewichtsausgleich zum Teil weggearbeitet werden können. In der Fig. 4 zeigt die Linie A die Flansche nach dem Gusse. Sie kann dann weggearbeitet werden ; es soll aber von ihr noch so viel stehenbleiben, dass der Mantelstreifen noch wirksam versteift wird. Die Linie B in Fig. 4 zeigt die diesbezügliche Grenze an. Nach der Ausführungsform der Fig. 8 ist der untere Rand der Mantelstreifen 26 durch eine weitere Innenflansche 33'verstärkt.
Der Kolben bildet ein einheitliches Gussstück aus Leichtmetall, wie Aluminiumlegierung. Doch lässt sich auch anderes Metall verwenden. Seine einzelnen Teile sind so zueinander bemessen, dass der Kolben trotz geringsten Metallaufwandes äusserste Festigkeit und dabei die günstigste Arbeitsform und die längste Lebensdauer hat.
Die Seitendrücke werden bei der Ausführungsform des Kolbens nach den Fig. 1-8 teils durch die Stützwände 14 und 15, teils durch die Versteifungsrippen 27 auf die Laufmantelteile 16 und 17 übertragen. Hiedurch werden diese Seitenkräfte viel gleichmässiger auf die Gleitflächen verteilt und die elastischen Biegungen der Laufmantelwände daher verringert. Ohne die Versteifungsrippen 27 besteht die Gefahr, dass die Stützwände 14 und 15 unter den örtlichen Biegungsbeanspruchungen zwischen den Kolbenzapfenlagern 20 und dem geschlitzten Laufmantelteile 11 dauernd nachgeben ; die Anordnung der Versteifungsrippen behebt diese Gefahr fast vollständig.
Ein weiterer Vorteil dieser Versteifungsrippen 27 besteht darin, dass sie die Wärme nach dem unteren Mantelrande zu ableiten helfen und dadurch zum Wärmeausgleiche zwischen dem oberen und unteren Rande der Laufmantelteile wirksam beitragen.
Dank der getroffenen Formgebung für den ganzen Kolbenmantel lässt sich durch blosses Zylindrischschleifen der Gleitflächen ein ausserordentlich gutes Anliegen an der Zylinderwand erreichen ; ein Einspannen zwischen Spitzen ist dabei nicht erforderlich. Auch das Einschleifen der Absetzungen wird überflüssig. Beim Schleifen wird unter dem Drucke der Schleifscheibe vom unteren streifenförmigen Mantelteile 26 unterhalb der Zapfenlager wegen seiner grösseren Steifigkeit mehr Metall weggeschliffen als von den nachgiebigeren Laufmantelteilen 16 und 17. Dieser untere Rand des Laufmantels wird daher etwas elliptisch. Ausserdem wird der Mantel auch noch schwach kegelförmig, u. zw. nach oben zu verjüngt geschliffen.
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