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Leichtmetallkolben mit aus Schwermetall bestehenden
Tragringen
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rend des Betriebes in keiner Weise regeln.
Um Tragringe, die in Nuten am Umfang des Kolbenschaftes vorhanden sind, zur Regulierung des
Laufspieles zu verwenden, sind sie auch schon mittels Schrauben in Richtung der Bolzenachse mit dem
Kolbenwerkstoff festgehalten worden. Die Verwendung solcher Halteglieder in einem Maschinenteil, der, wie die Kolben in Brennkraftmaschinen, hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausge- setzt ist, erfährt von der Fachwelt jedoch vollkommene Ablehnung. Wenn nämlich ein solcher Ring an den vorerwähten Stellen festgehalten werden soll, müssen Halteglieder vorhanden sein, die den gesamten
Gleitbahndruck des Kolbens aufzunehmen vermögen. Um diese Bedingung aber zu erfüllen, müssen die
Halteglieder wesentlich kräftiger und vor allem auch viel sicherer bemessen. bzw. ausgebildet sein. Der vorerwähnte Vorschlag hat daher in der Fachwelt auch keine Verwirklichung gefunden.
Zur Verbesserung des Laufverhaltens von Leichtmetallkolben, in die aus Schwermetall bestehende
Tragringe eingegossen sind, die ihrerseits im Bereich der Kolbenbolzenaugen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden und senkrecht dazu in den druckseitigen Schaftflächen beweglich sind, ist erfindungsgemäss der
Kolben in an sich bekannter Weise im Bereich der Bolzenaugen freigeschliffen oder sein Schaft oval ge- formt, während die Tragringe zur Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff eingegossene Halterungen auf- weisen und zwischen denselben ganz oder teilweise frei be eglich sind. Die Ringe müssen somit im Bereich der festen Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff, dessen Wärmeausdehnung zwangsläufig mitmachen und gleichzeitig den Laufbahndruck im Zylinder auf den Kolbenkörper im kalten Zustand übernehmen.
Die beim Giessen des Kolbens miteingegossenen Tragringe aus Schwermetall sind, z. B. auf ihrem kreis- förmigen Umfangsteil parallel zurkolbenbolzenachse freigestochen, und miteinander durch quer zur Kol- benbolzenachse verlaufende-Stege verbunden. Nach einer weiterenAusbildung des erfindungsgemässenkol- bens sind die Stirnseiten der Tragringe gegen das Kolbeninnere hinterschnitten, insbesondere im Querschnitt trapezförmig ausgebildet, so dass. sie unter Vermeidung eines Freisteehens in radialer Richtung nach dem Eingiessen beweglich sind.
Wird angenommen, dass einRingdessen Werkstoffeine Wärmeausdehnungszahl von 10 x 10 mm/-mmoC hat, in einen Kolbenwerkstoff mit einer Wärmeausdehnungszahl von 20 x 10-6 mm/mm C eingegossen und dann freigestochen wird, so kann sich ein solcher Ring nicht nur mit der Hälfte des Laufspieles, sondern auch unter diesem Wert im Zylinder bewegen, da durch die grössere Dehnung des Kolbens eine elastische Verformung des Ringes eintritt, und hiedurch eine weitere Verkleinerung des Laufspieles zwischen dem Ring und dem Zylinder entsteht. Ein in dieser Weise angeordneter Ring übernimmt im kalten Zustand die Führung des Kolbens an der Zylinderwand, wodurch ein Kippen bzw. Klappern des Kolbens ausgeschlossen wird.
Je mehr Wärme während des Laufes des Motors der Kolbenboden aufnimmt, umsomehr Wärme wird an den Schaft abgeleitet und desto kleiner wird das Laufspiel des Leichtmetallkolbens.
Da der eingegossene Ring mit der Erwärmung des Kolbenwerkstoffes da, wo er nicht in fester Verbindung mit diesem steht, gleichzeitig mit ihm oval verformt wird, vergrössert sich das Laufspiel des Ringes in demselben Masse wie der Aluminiumkolbenschaft im Durchmesser zunimmt. Es kann somit das Laufspiel des Kolbens bei halber Last so gross gehalten werden, dass bei einer plötzlichen Belastungsänderung ein Fressen sowohl des Ringes als auch des Kolbenschaftes vermieden wird.
Um einen unzulässigen Druck des Ringes bei der Ovalverformung auf die Zylinderwand zu vermeiden, ist er am offenen Schaftende im kalten Zustand oval ausgeführt oder in der Nähe des Kolbenbolzenauges freigeschliffen, so dass nur ein Teil des Umfanges als tragende Fläche wirksam wird. Bei voller Belastung wird die Führung des Kolbens allein vom Aluminiumschaft übernommen, so dass ein einwandfreier Wärmeübergang auf den Zylinder erfolgt.
Der Schwermetallring kann so ausgebildet und angeordnet sein, dass er als Ringsteg mit entsprechender Breite wirksam wird oder auch einen Teil des Kolbenschaftes selbst bildet.
Die Erfindung weist weiterhin noch den Vorteil auf, dass die Ringe für Kolben aller Art von Brennkraftmaschinen Anwendung finden können, und dass das Laufspiel der Kolben im kalten Zustand auf ein Mindestmass verringert wird. Das Laufspiel eines oder mehrerer solcher Ringe im kalten Zustand kann sogar kleiner sein als das Laufspiel eines Graugusskolbens gleichen Zylinderdurchmessers.
Der mit den erfindungsgemäss angeordneten Ringen ausgerüstete Kolben zeichnet sich weiterhin noch dadurch aus, dass er keinen Querschlitz hat. Infolgedessen können solche Kolben auch in schlitzgesteuerte Zweitaktmotoren eingebaut werden, ohne dass die Arbeitsweise dieser Kolben beeinflusst wird. Gegen- über allen andern Regelkolben besteht dabei der grosse Vorteil, dass die Ableitung der Wärme ungehindert von dem Ringteil bei höchster Belastung an den Schaft erfolgt. Es ist somit möglich, auch bei luftgekühlten Motoren einen ruhigenKolbenlauf zu erreichen, ohne dass die Wärmeableitung aus dem Kolben unterbunden oder der Kolbenkopf überhitzt wird.
Die Fig. 1-6 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Die Fig. 1 und 2
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stellen je zum Teil eine Längsschnitt durch einen Fahrzeugdieselkolben und zum Teil eine Ansicht eines solchen Kolbens dar. Die Fig. 3 und 4 sind je ein Querschnitt durch die Kolben nach den Fig. 1 und 2, wobei der Schnitt durch die oberen Ringe geführt ist. Die Fig. 5 lässt in perspektivischer Darstellung eine Sonderausführung des Ringes erkennen, während die Fig. 6 eine weitere mögliche Ausbildung des Ringes in seiner Anordnung in einem Kolben zeigt, der teils im Längsschnitt, teils in Ansicht dargestellt ist.
EinLeichtmetallkolben 1 ist entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 mit Ringen 2 und 3 ausgerü r stet. Der eine dieser Ringe befindet sich oberhalb des Kolbenbolzens zwischen dem oberen Ölabstreifring und dem darüberliegenden Kolbenring, der nicht besonders dargestellt ist. Der andere Ring 3 ist unterhalb des unteren Ölabstreifringes, der ebenfalls nicht gezeichnet ist, vorgesehen. Die Zylinderwand trägtdas Bezugszeichen 4. Das Laufspiel im kalten Zustand ist durch einen Spalt 5 angedeutet, während die Ringe bei betriebswarmen Kolben ein Laufspiel 6 aufweisen.
Entsprechend uer Darstellung in der Fig. 2 befindet sich der obere Ring 8 über dem Kolbenbolzen, während der untere Ring 9 zwischen zwei unteren Ölabstreifringen liegt. Der Kolben 7 ist in diesem Fall für einen Zweitaktmotor gedacht. Die freie Beweglichkeit dieser Ringe wird durch Einstechen der Nuten 10,11 und 12 erreicht. Das Laufspiel im kalten Zustand ist wiederum mit 5, das im warmen Zustand mit 6 bezeichnet.
Der linke Teil in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht den kalten Zustand der Kolben. Zwischen dem Ring 2 in Fig. 3 und dem Kolbenkörper 1 befindet sich der Spalt 13. In diesem Zustand ist in der Nähe des Kolbenbolzens infolge der ovalen Form des Kolbens ein grösseres Laufspiel 14 gegenüber der Zylinderinnenwand vorhanden. Der Ring 2 ist in den nicht freigestochenen Bereichen durch Stege 15 im Kolbenkörper 1 mit dessen Werkstoff fest verbunden. Die Stege 15 machen daher die Bewegung des Werkstoffes des Kolbenkörpers bei dessen Wärmeausdehnung zwangsläufig mit, so dass der Ring 2 an den freiliegenden Aussenflächen am Kolbenumfang derart elastisch verformt wird, dass zwischen dem Ring 2 und der Zylinderwand 4 ein Spalt 6 entsteht.
Die Zwischenräume 13 und 14 werden bei der Erwärmung immer kleiner und können gegebenenfalls durch den Kolbenkörper vollkommen ausgefüllt werden.
Der Ring 9 nach Fig. 4 ist im äusseren Umfang oval ausgebildet. Zwischen dem Ring 9 und dem Kolbenkörper befindet sich im kalten Zustand ein Spalt 13. In Richtung zum Kolbenbolzen ist je ein Spiel 14 gegenüber der Zylinderinnenwand vorhanden. Der Ring 9 ist auf seinem ganzen Umfang freigestochen, aber nicht überall frei beweglich, sondern wird durch Nocken 16 und/oder Bügel 17 mit dem Kolbenwerkstoff fest verankert.
Die Zahl der Ringe ist nicht auf zwei beschränkt. Es können z. B. auch drei Ringe vorgesehen sein, beispielsweise in einer Anordnung nach 2,8 und 9 (Fig. 1, 2).
Um zu verhindern, dass die Ringe sich in Richtung der Längsachse des Kolbens nach dem Freistechen bewegen, sind sie mit besonderen Halterungen versehen. Diese können, wie die Fig. 5, die eine Ringausführung nach Fig. 3 zeigt, erkennen lässt, in der Ausbildung besonderer Ausnehmungen 18 auf der Innenseite des Ringes 19 bestehen. Sie greifen in entsprechend gestaltete Nasen oder Vorsprünge, die auf der Oberfläche des Kolbenwerkstoffes vorgesehen sind, was nicht besonders dargestellt ist.
Die gleiche Wirkung, wie sie durch das Freistechen erreicht wird, tritt auch dann ein, wenn den Ringen ein Querschnitt gegeben wird, der erlaubt, dass der Ring nach dem Eingiessen sich quer zur Kolbenbolzenrichtung frei bewegen kann. Eine solche Möglichkeit besteht bei einem trapezförmigen gewählten Ringquerschnitt, wie dies die Fig. 6 erkennen lässt. Zwischen den Flanken 21 und 22 des Ringes 23 entsteht beim Schrumpfen des Kolbenwerkstoffes im Schaft 24 jeweils ein Ringspalt, so dass der Ring 23 gegenüber dem Kolbenwerkstoff sowohl in radialer als auch in axialer Richtung eine freie Beweglichkeit erhält. Um nun aber zu verhindern, dass der Ring auch im Bereich der nichttragenden Schaftflächen sich bewegt, wird er im Kolbenwerkstoff festgehalten ; beispielsweise durch die Anordnung von bügelartig ausgebildeten Gliedern 25.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Leichtmetallkolben, mit aus Schwermetall bestehenden Tragringen, die im Bereich der Bolzenaugen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden und senkrecht dazu in den druckseitigenSchaftflächen beweglich sind, dadurch gekennzeichnet, dass er (1) in an sich bekannter Weise im Bereich der Bolzenaugen freigeschliffen oder sein Schaft oval geformt ist, und dass die Tragringe (2, 3,8, 9,19, 23) zur Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff eingegossene Halterungen (18) aufweisen, und zwischen denselben ganz oder teilweise frei beweglich sind.