DE2430829C2

DE2430829C2 - Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2430829C2
Application number: DE2430829A
Authority: DE
Inventors: Johannes Ing.(Grad.) 7100 Heilbronn Reitz
Original assignee: Karl Schmidt 7107 Neckarsulm De GmbH; Karl Schmidt 7107 Neckarsulm GmbH
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1974-06-27
Filing date: 1974-06-27
Publication date: 1984-12-06
Also published as: FR2276470A1; JPS5129615A; JPS5936099B2; IT1039039B; US4338858A; FR2276470B1; GB1495817A; BR7503953A; DE2430829A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, der nur durch zwischen Kolbcnkopf und Kolbenschaft jeweils auf der Druck- und der Gegendruckseile angeordnete Querschlitze, die eine Bogenlänge entsprechend einem Winkel von 70 bis 110° aufweisen, als Regelkolben ausgebildet ist.

Unter Regelkolben versteht man im weiteren Sinne Einmetallkolben, bei denen durch besondere konstruktive Maßnahmen bewirkt wird, daß die radiale Wärmeausdehnung, vorzugsweise nur in Richtung der Kolbenbolzenachse, in Erscheinung tritt oder bei denen die tragenden Kolbenschaftteile so ausgebildet sind, daß sie die radiale Wärmeausdehnung durch elastisches Nachgeben auszugleichen vermögen.

Im engeren Sinne sind dies Kolben, die /.umeist im Kolbenschaft an geeigneter Stelle eingegossene, dehnungchemmende Regelglieder aus Stahl aufweisen, mit deren Hilfe die dem Leichtmetall eigene, vor allem in Richtung senkrecht zur Kolbcnbolzcnachse unerwünscht hohe Ausdehnung verhindert und in Richtung Kolbenbolzenachse »umgelenkt« und das Kolbcnspicl auf der Druck- und der Gegendruckseile unter möglichst allen Betriebsbedingungen dem Zylinderdurchmesser angepaßt ist. Das in Laufrichtung gemessene Kolbennennspiel kann auf diese Art im ganzen Betriebsbereich nahezu konstant gehalten werden, obgleich der Zylinder unter dem Temperatureinfluß- auch einen größeren Durchmesser annimmt. Der Ausdehnungskoeffizient des Leichtmetallkolbens ist durch das Temperaturgefälle zwischen Kolbcnkopf und Kolbenschaft bestimmt, welches für jeden Motor unterschiedlich ist und durch konstruktive Maßnahmen beeinflußt wird. Unter Betriebstemperatur stellt sich ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient ein, der in Abhängigkeit der Wanddickenverhältnisse zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Leichtmetalls und des Stahls liegt. Dieser mittlere Ausdehnungskoeffizient bewirkt bei dem vorhandenen Temperaturgefälle zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft eine noch größere Verformungsdifferenz, die damit im Verhältnis zur Temperaturdifferenz höher liegt und dementsprechend nochmals die Ovalvcrformung des Kolbenschaftes durch den Kolbenboden verstärkt. Bei annähernd gleichbleibendem Umfang des Kolbenschafts wird dadurch eine üurchmesservergrößerung in Richtung des Kolbenbolzens und eine Durchmesserverkleinerung in Richtung der Druck- und Gegendruckseite erreicht. Da die Ausdehnung des Leichtmetalls aber nicht ganz verhindert wird, ist eine größere Ovalität des Kolbenschafts als normal notwendig.

Nahezu alle Regelkolben weisen eine mehr oder weniger ausgeprägte Trennung zwischen Kolbenboden und Kolbenschaft auf. Die Regelwirkung wird so zym Beispiel durch Querschlitze, die in der ölringnut auf der Druck- und der Gegendruckseite liegen und sich über eine Bogenlänge von 70 bis 110° erstrecken, bedeutend begünstigt Einmetallkolben ohne Regeleinlagen, aber

ίο mit diesem Querschlitz, zeigen bereits einen Ansatz von Regelwirkung (»Technisches Handbuch« Karl Schmidt GMBH. 1967. Seite 99).

Die bekannten Regelkolben, deren Regelwerte an der Kolbenschaftoberkante bei 15 bis 20 · 10~⁶ mm/mm K

ΐΐ und an der Kolbenschaftunterkante bei 18 bis 22 · ΙΟ-* mm/mm K liegen, sind jeweils auf bestimmte von der Motorleis'.ung und dem Kolbendurchmesser abhängige Anwendungsbereiche beschränkt (DE-PS 9 09 163, DE-AS IG 78 387. DE-PS 12 45 657).

In gewissem Sinne sind auch sogenannte Schlitzmantelkolben — ohne eingegossene Stahl-Regelglieder — zu den Regelkolben zu zählen (US-PS 16 95 417, US-PS 21 28 451/. Bei diesen Kolben sind der Kolbenschart durch auf der Druck- und der Gegendruckseite in oder unter der untersten Ringnut angebrachte Querschlitze vom heißen Kolbenboden getrennt und an geeigneten Stellen des Kolbenschafts ein oder mehrere Längsschlit-/c angeordnet. Die Querschlitze bewirken eine gewisse Regelwirkung, die Längsschlitze eine große Elastizität

jo des Kolbenschafts. Die im Motorbetrieb auftretende Durchmcsscrvergrößcrung des Leichtmetallkolbens wird durch die elastische Verformung des Kolbenschafts aufgenommen. Schlitzmantelkolben sind wegen der Ausweich- und Anglcichmöglichkeit des Kolben-

}^r> Schafts weitgehend freßunempfindlich. Von wesentlichem Nachteil ist jedoch, daß die Zeitstandfestigkeit des Leichtmetalls bei höherer Temperatur und heute üblichem höheren Laslwechsel infolge höherer Drehzahl der Brennkraftmaschinen zu gering ist und nach längerer Betriebszeit mit bleibenden Verformungen und somit stärkerem Geräusch, unter Umständen Fressen, An- und Abbrechen des Kolbcnschaftes gerechnet werden muß.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, den eingangs beschriebenen Regelkolben in dem Sinne zu verbessern, daß bei normaler Ovaiität des KoI-bcnschafies eine allen Bedürfnissen und Anforderungen gcrechtwcrdcndc Regclwirkung im Motorbetrieb erzielt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Kolbenbolzcnnaben mit dem Kolbenboden einerseits durch frei vom Kolbenboden angeordnete, parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Rippen und mit dem Kolbenschaft andererseits durch unter einem Winkel von 45° zu der die Bolzen- und Kolbenlängsachse enthaltenden Ebene angeordnete Rippen verbunden sind.

Durch die zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft befindlichen Querschlitze wird eine Behinderung des Wärmeflusses bewirkt. Für den Kolbenschaft bedeutet das ganz allgemein, eine wesentliche Temperaturerniedrigung, also eine zusätzlich erreichte geringere Ausdehnung. Das im Vergleich zum oberen Kolbenschaftende hohe Temperaturniveau des Kolbenkopfs bewirkt, da hier behinderte Stahlregelglieder fehlen, eine relativ

b5 große Ausdehnung. Der obere Teil des Kolbenschaftcs wird demnach in Richtung Kolbenbolzenachse gedehnt und, da der Kolbenschaftunifang praktisch gleichbleibt, senkrecht dazu verkleinert. Diese Art der Rcueliint! ent-

spricht genau der Notwendigkeit, den wärmeren Kolbenschaftoberteil stärker zu regeln als den kälteren Kolbenschaftunterteil. Die Regelung kann durch größere Variationsmöglichkeit der für das Regclvcrhaltcn maßgebenden Faktoren, wie Länge des Qucrschlitzes, s Richtung der Abstützung des Kolbenschaftes. Wahl des Wärmefließquerschnittes, Abstützung des Kolbenkopfes und des Kolbenschaftes, besser auf den Durchmesser des Zylinders abgestimmt werden.

Durch diesen Regeleffekt wird bei normaler Ovalität und Balligkeil des Kolbenschaftes erreicht, daß die tatsächliche Ausdehnung des Kolbenschafts in allen Betriebsbereichen des Motors annähernd gleich groß ist wie jene des Zylinders, unabhängig davon ob dieser aus Grauguß oder Leichtmetall besteht. Durch diese Ab-Stimmung können alle positiven und negativen Regeleffekte erzielt werden, so daß sein Anwendungsbereich nicht von der bei herkömmlichen Leichtmetallregelkolben zwischen Literleistung eines Motors und Kolbendurchmessers bestehenden Abhängigkeit bestimmt wird.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen werden ferner ein ruhiger Lauf des Regelkolbens, ein geringerer Ölverbrauch und ein optimales Tragbild erreicht. Bei gegebenem Kolbennennspiel ist im Vergleich zu herkömmlichen Regelkolben keine so große Ovalität des Kolbenschafts erforderlich. Der Regelkolben erreicht im betriebswarmen Zustand eine vergleichsweise geringere Vorspannung, so daß auch eine Verminderung der Reibleistung erfolgt.

Darüber hinaus läßt sich mit dem erfindungsgemüß ausgebildeten Regelkolben, verglicher, mit herkömmlichen Regelkolben eine Gewichtsersparnis von bis zu 25% erzielen.

Der erfindungsgemäße Regelkolben ist in der Zeich- )5 nung beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch die von Kolbenbolzen- und Kolbenlängsachse gebildete Ebene,

Fig.2 einen Querschnitt durch Fig. I entlang der Schnittlinie II.

Um den beschriebenen Rcgeleffekt zu erreichen, sind die Bolzennaben 3 mit dem Kolbenboden I durch frei vom Kolbenboden angeordnete parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Rippen 2 und mit dem Kolbenschaft 5 durch unter einem Winkel von 45" zu der die Kolbenbolzen- und Kolbenlängsachse enthaltende Ebene verlaufende Rippen 4 verbunden. Auf der Druck- und Gegendruckseite weist der Leichtmetallkolben einen Querschlitz 6 in der unteren Ringnut 9 auf, der sich über eine Umfangslänge von 110° erstreckt. Gegenüber den Bohrungen 7 in den Kolbenbolzennaben 3 befinden sich Durchbrechungen 8 im Kolbenschacht 5. Dieser Regelkolben weist im Bereich der Kolbenschaftobcrkante eine Ausdehnung von 14 · IO"⁶ mm/mm K und an der Kolbenschaftunterkante eine Ausdehnung von 17 · IO-⁶mm/mm Kauf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, der nur durch zwischen Kolbcnkopf und Kolbenschaft jeweils auf der Druck- und der Gegendruckseitc angeordnete Querschlitze, die eine Bogenlänge entsprechend einem Winkel von 70 bis 110° aufweisen, als Regelkolben ausgebildet ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzcnnaben (3) mit dem Kolbenboden (1) einerseits durch frei vom Kolbenboden angeordnete, parallel zur Kolbenlängsachse verlaufende Rippen (2) und mit dem Kolbenschaft (5) andererseits durch unter einem Winkel von 45° zu der die Kolbenbolzen- und Kolbenlängsachse enthaltenden Ebene angeordnete Rippen (4) verbunden sind.