Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich der Bolzennaben eingegossenen,
der Kontur des vollschaftig ausgebildeten Mantels folgenden, gebogenen Einlageplatten
aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmedehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes,
welche zusammen mit den sie bedeckenden Mantelteilen biinetallische Verbundglieder
bilden.Light alloy pistons for internal combustion engines The invention relates to
Light metal pistons for internal combustion engines with cast-in in the area of the pin hubs,
the contour of the fully formed jacket following, curved insert plates
made of a material with a lower coefficient of thermal expansion than that of the piston material,
which together with the jacket parts that cover them are biinetallic composite links
form.
Derartige »Vol.lschaft-Regelkolben« werden seit einigen Jahren in
großem Umfange an Stelle der bekannten »Fenster-Regelkolben« verwendet, bei denen
der Kolbenmantel im Bereich der Bolzennaben fensterartige Aussparungen aufweist
und bei denen eine Regelung der Wärmeausdehnung der verbleibenden tragenden Mantelteile
durch sehnenartig zwischen diesen und den Naben sich erstreckende bimetallische
Verbundglieder erreicht ist. Sie weisen gegenüber der bekannten »Feiister-Regell:olbenbauart«
unter anderem den Vorteil auf, daß sie auch für Zweitaktmaschinen anwendbar sind.
Als Nachteil hat sich aber bei ihrer Verwendung herausgestellt, daß die auf das
offene Schaftende ausstrahlende Wirkung der bimetallischen Verbundglieder selbst
in solchen Fällen, in denen Einlageplatten nur in der dem Kolbenkopf zugewandten
Schafthälfte vorgesehen sind, unerwünscht stark ist. Dein vom Kolbenkopf zum offenen
Schaftende abfallenden Temperaturverlauf entsprechend ist aber auch eine in gleicher
Weise abnehmende Wirkung der Einlagen erwünscht, die man bis jetzt nur durch Anordnung
von Versteifungsrippen im Bereich der dein offenen Schaftende des Kolbens zugewandten
unteren Kante der Einlagen erreichen konnte.Such "vol.lschaft-control pistons" have been in use for several years
used to a large extent in place of the well-known "window regulating piston", in which
the piston skirt has window-like recesses in the area of the pin bosses
and in which a regulation of the thermal expansion of the remaining load-bearing shell parts
by bimetallic ones extending between these and the hubs like tendons
Composite links is reached. They point towards the well-known »Feiister rule: olbenbauart«
inter alia, the advantage that they can also be used for two-stroke machines.
However, it has turned out to be a disadvantage when using them that the
open shaft end radiating effect of the bimetallic composite links themselves
in those cases in which insert plates only in the one facing the piston head
Shaft half are provided, is undesirably strong. Your from the piston head to the open
However, the temperature curve which drops at the end of the shaft is also the same
Wise decreasing effect of the deposits desired, which until now could only be achieved by arrangement
of stiffening ribs in the area of your open shaft end of the piston facing
lower edge of the deposits.
Gemäß der Erfindung wird nun bei Kolben der eingangs erwähnten Art
nicht nur eine Hemmung der am offenen Schaftende unerwünscht stark eintretenden
Bimetallwirkung, sondern darüber hinaus auch noch in erwünschter Weise eine Verbesserung
der Bimetallwirkung in dem Kopfteil zugewandten Ende der Laufflächen erreicht und
dadurch eine noch bessere Anpassung an die tatsächlichen Betriebsverhältnisse erzielt,
indem man die mit den Einlageplatten in Berührung stehenden Zonen des Leichtmetallmantels
und gegebenenfalls auch die zwischen dein kolbenkopfseitigen Schaftende und der
oberen Einlageplattenbegrenzung liegenden Mantelteile mit axial oder schräg verlaufenden
Schlitzen versieht, welche die Einlageplatten :nicht anschneiden, Di-e Wirkung dieser
Maßnahme dürfte damit zusammenhängen, daß durch das Anbringen der axial oder schräg
gerichteten Schlitze in dein dem Kolbenkopf zugewandten Teil des Leichtinetallniantels
die dort beim Erkalten des Kolbens nach dein Guß durch Aufschrumpfen des Leichtmetallwerkstoffes
auf die Einlagen entstandenen Spannungen weitgehend abgebaut werden. Da die dehnungsregelnde
Wirkung binietallischer Verbundglieder gerade durch das Vorhandensein solcher Spannungen
erklärt wird, ist es überraschend, daß trotzdem in der mehr oder weniger spannungsfrei
gemachten Zone die dehnungshemmende Wirkung sogar verbessert, in der nicht geschlitzten
und - wie man daher erwarten sollte - nicht betroffenen Zone aber gemildert wird.
Es ist ferner auch überraschend, daß bei den Kolben der eingans erwähnten Art die
angestrebte Wirkung durch' die beschriebene Schlitzung eintritt, während bei »Fenster-Regelkolben«
zwischen Bauarten mit sehnenartig eingegossenen Blecheinlagen und deren ganze Außenfläche
bedeckenden Leichtmetallrippen und. solchen, bei denen dem Kolbenkopf benachbarte
Partien der Einlagen nicht vom Kolbenwerkstoff bedeckt sind, keine Wirkungsunterschiede
festgestellt werden konnten.According to the invention, pistons of the type mentioned at the beginning
not only an inhibition of the undesirably strong occurring at the open end of the shaft
Bimetal effect, but also an improvement in a desired manner
the bimetallic effect in the end of the running surfaces facing the head part is reached and
thus an even better adaptation to the actual operating conditions is achieved,
by removing the zones of the light metal jacket that are in contact with the insert plates
and optionally also between the end of the shaft on the piston head side and the
Upper insert plate boundary lying shell parts with axially or diagonally extending
Slits, which the insert plates: do not cut, the effect of this
Measure is likely to be related to the fact that by attaching the axially or obliquely
directed slots in the part of the light metal niantels facing the piston head
which there when the piston cools after your casting by shrinking the light metal material
tensions on the deposits are largely reduced. Since the stretch-regulating
Effect of binietallic composite links precisely through the presence of such tensions
is explained, it is surprising that nevertheless in the more or less tension-free
The stretch-inhibiting effect even improved in the non-slotted zone
and - as one should therefore expect - the affected area is, however, mitigated.
It is also surprising that the piston of the type mentioned at the outset
The desired effect occurs through the slotting described, while with "window control piston"
between types with sinew-like cast-in sheet metal inserts and their entire outer surface
covering light metal ribs and. those in which the piston head is adjacent
Parts of the inserts are not covered by the piston material, no differences in effect
could be determined.
Die erfindungsgemäß anzuordnenden Längsschlitze können zweckmäßigerweise
den Konturen der Nabenabstützungen folgen. Als besonders vorteilhaft hat-es sich
erwiesen, sie so auszubilden, daß sie sich vom kopfseitigen Ende der Manteltragflächen
- soweit vorhanden, von den den Kolbenkopf von den Tragflächen trennenden Querschlitzen
-- bis etwa zur Höhe der Kolbenbolzenachse erstrecken und vor der dein offenen Schaftende
zugewandten unteren Einlageplattenbegrenzung enden. Unbedingt notwendig ist dieses
letztere 1-lerlcmal jedoch nicht, weil auch bei völliger, bis zur unteren Einlagebegrenzung
reichender Durchsclilitzung der auf den Einlagen aufliegenden Mantelzone noch Spannungsunterschiede
zwischen dein dem Kolbenkopf zugewandten Teil und dem dem offenen Schaftende zugewandten
Tenl bestehen, da letzteres ungeschlitzt ist und auf dlie ihm unmittelbar benachbarte
Zone rückwirkt.The longitudinal slots to be arranged according to the invention can expediently
follow the contours of the hub supports. It has proven to be particularly advantageous
proven to train them so that they are from the head end of the shell wings
- if available, of the transverse slots separating the piston head from the wings
- Extend up to about the height of the piston pin axis and in front of your open shaft end
end facing lower insert plate limitation. This is absolutely necessary
The latter one, however, not because even with a complete, down to the lower deposit limit
extending through the cladding zone resting on the inserts, there are still differences in tension
between the part facing the piston head and the part facing the open shaft end
Tenl exist, since the latter is unslit and on the one immediately adjacent to it
Zone reacts.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
hälftig in An-
Sicht und hälftig im Schnitt dargestellt. Die Fig.2
veranschaulicht an Hand eines Diagramms die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes
im Vergleich zur Wirkung eines gleichartigen Kolbens ohne die erfindungsgemäßen
Schlitze.In the drawing, FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention
half in
View and shown in half in section. The Fig.2
illustrates the mode of operation of the subject matter of the invention on the basis of a diagram
in comparison to the effect of a piston of the same type without the one according to the invention
Slots.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Leichtmetallkolben sind die Manteltragflächen
1 vom Kopfteil 2 in bekannter Weise durch Querschlitze 3 abgetrennt. Mit dem Mantel
sind innenseitig im Bereich der Bolzennaben 4 ebenfalls in bekannter Weise z. B.
aus Eisen bestehende Einlageplatten 5, welche der Mantelkontur folgen, durch Eingießen
so verbunden, daß sie zusammen mit dem Mantelwerkstoff bimetallische Verbundglieder
bilden. Von den Querschlitzen 3 ausgehend erstrecken sich Schlitze 6, der Kontur
der Nabenabstützungen 7 folgend, etwa bis zu der durch die \ abenmitte gehenden
Querschnittsebene des Kolbens. Diese Schlitze durchschneiden jedoch nur den Leichtmetallmantel,
nicht aber die mit ihm verbundenen Einlageplatten 5.In the case of the light metal piston shown in FIG. 1, the lateral support surfaces are
1 separated from the head part 2 in a known manner by transverse slots 3. With the coat
are inside in the area of the pin hubs 4 also in a known manner z. B.
Insert plates 5 made of iron, which follow the contour of the jacket, by casting
connected in such a way that they are bimetallic composite links together with the jacket material
form. Slots 6, the contour, extend from the transverse slots 3
following the hub supports 7, approximately up to the one going through the middle
Cross-sectional plane of the piston. However, these slots only cut through the light metal jacket,
but not the insert plates connected to it 5.
Diese erfindungsgemäß. angeordneten Schlitze verändern das Betriebsverhalten
des Kolbens wesentlich. In Fig. 2 ist in Diagrammform gezeigt, wie längs der durch
die Tragflächenmitten gehenden Mantellinien das Wärmedehnungsverhalten eines aus
einer Aluminiumlegierung mit einem Wärmedehnungsbeiwert von 21 - 10--g cm/cm.' C
gegossenen Kolbens gemäß Fig. 1 sich ändert, und zwar sind in das rechts des schematisch
angedeuteten Kolbens aufgezeichnete Koordinatennetz in ausgezogenen Linien die durch
die Verbundwirkung der Einlagen 5 veränderten Wärmedehnungsbeiwerte entsprechend
den Meßpunkten a bis d eingetragen. In gestrichelten Linien ist zum
Vergleich angegeben, wie sich ein sonst gleicher, jedoch nicht mit Schlitzen 6 versehener
Kolben verhält. Man sieht, daß beim erfindungsgemäßen Kolben der Wärmedehnungsbeiwert
an der durch die Meßpunkte a, b und c markierten Mantel-Unie oben 10 - 10-g
und unten 15 - 10-g beträgt, also von oben nach unten in erwünschter Weise leicht
zunimmt, während der ungeschlitzte Kolben an den gleichen Stellen oben einen Wärmedehnungsbeiwert
von 14 - 10-g und unten von 8 - 10-s aufweist und daher oben ein größeres Einbauspiel
benötigt und unten zum »Warmklappern« neigt.This according to the invention. arranged slots change the performance of the piston significantly. FIG. 2 shows in diagram form how along the surface lines passing through the wing centers the thermal expansion behavior of an aluminum alloy with a thermal expansion coefficient of 21-10 g cm / cm. ' C cast piston according to FIG. 1 changes, namely in the coordinate network drawn on the right of the schematically indicated piston in solid lines, the thermal expansion coefficients changed by the composite effect of the inserts 5 according to the measuring points a to d are entered. For comparison purposes, dashed lines indicate how an otherwise identical piston, but not provided with slots 6, behaves. It can be seen that in the piston according to the invention the coefficient of thermal expansion at the jacket unie marked by the measuring points a, b and c is 10-10 g at the top and 15-10 g at the bottom, i.e. it increases slightly from top to bottom in the desired manner, while the unslotted piston has a coefficient of thermal expansion of 14-10 g at the top and 8-10 s at the bottom and therefore requires a larger installation clearance at the top and tends to "rattle warm" at the bottom.