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Kolben für Brennkraftmaschinen Es ist bekannt, daß Kolben von Brennkraftmaschinen,
wenn sie aus Leichtmetall, wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen, hergestellt
sind, gewöhnlich ein mit Kolbenklappern bezeichnetes Geräusch verursachen, das besonders
beim Anläufen der kalten -Maschine bemerkbar ist.
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Diesen Nachteil beseitigt die vorliegende Erfindung, welche einen
Kolben betrifft, der aus einem Kopfstück und einem Paar von Halsteilen aus Leichtmetall,
welche die Kolbenbolzenlager und die Kolbenmantel tragen, und aus der Bestimmung
der Abstände zwischen den gegenüberliegenden Kolbenmantelteilen dienenden und zwischen
letzteren sich erstreckenden Versteifungen besteht, welche aus einem Material hergestellt
sind, das einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das Leichtmetall,
wobei in neuartiger Weise die Versteifungen paarweise angeordnet sind und mit den
Halsteilen im Zusammenhang stehen bzw. in Berührung mit den Halsteilen gegossen
sind.
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In den beiliegenden Zeichnungen stellt Abb. i eine Seitenansicht eines
gemäß der Erfindung beispielsweise hergestellten Kolbens dar.
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Abb. 2 ist ein Mittelschnitt durch. die Achse des Kolbenzapfens, Abb.3
ein ähnlicher waagerechter Schnitt. Abb. 4 ist eine Ansicht einer weiteren KoI-benausführungsform
gemäß der Erfindung.
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Abb. 5 ist eine Einzelansicht einer Versteifung, Abb.6 ein senkrechter
Schnitt nach Linie 6-6 gemäß Abb. 4, Abb. 7 ein waagerechter Schnitt durch eine
andere Ausführungsform.
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Abb.8 eine Ansicht eines Kolbens in abgeänderter Form, Abb. 9 ein
Schnitt nach Linie 9-9 gemäß Abb. 8, Abb. i o ein Schnitt nach Linie i o-1 o geilläß
Abb. 8,
Abb. i i eine Ansicht einer anderen Versteifung, Abb. 12 eine Ansicht
einer weiteren Ausführungsform eines Kolbens. . Abb. 13 stellt noch eine andere
Ausführungsform dar, teilweise im Schnitt, und Abb. 14 ist ein Querschnitt durch
die Abb. 13.
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In den Abb. 1, 2, 4 und 13 bezeichnet das Bezugszeichen i o das Kopfstück
eines Kolbens mit ringförmigen Nuten i i. Das Kopfstück ist hohl und besitzt Lager
13 zur Aufnahme des Kolbenbolzens. Diese Lager oder Bolzenaugen 13 sind mit dem
Kopfstück durch den Halsteil 16 verbunden. Jedes Bolzenauge trägt gemäß der in Abb.5
dargestellten Ausführungsform eine eingegossene Versteifung 17. Diese Versteifungen
sind vorzugsweise aus Plattenmetall ausgestanzt und besitzen eine mittlere Öffnung,
in welche eine Anzahl Zungen 18 sich erstrecken. Die Zungen 18 dienen dazu, die
dichte Zusammenziehung des Metalls an jeder Zunge zu gestatten, wenn die Wandung
13 beim Abkühlen sich im Durchmesser
zusammenzieht. An ihren entgegengesetzten
Enden besitzt jede Versteifung mehrere Vorsprünge i S', durch welche sie fest mit
den zur Führung des Kolbens im Zylinder dienenden. Mantelabschnitten 2o verbunden
ist. Die Versteifungen besitzen zweckmäßig ebenfalls Öffnungen i9 an den in der
Zeichnung angegebenen Stellen: Die unteren Enden der Mantelabschnitte 2o können
durch in Abb. i punktiert angedeutete Bogenstücke z i derart verbunden sein, daß
ein einheitlicher ringförmiger Teil am unteren Ende des Mantels entsteht. In einem
oder beiden der Bogenstücke kann ein Schlitz 2a vorgesehen sein.
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Die an jeder Seite des Kolbens angeordneten Versteifungen, die im
Zusammenhang mit den Halsteilen stehen bzw. mit ihnen starr verbunden sein können,
können aus zwei oder mehreren Stanzteilen bzw. auch Röhren oder Stangen bestehen.
Die Flächen der Versteifung können parallel oder nichtparallel zu den Flächen der
an der anderen Seite des Kolbens befindlichen Versteifung liegen.
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Das Kopfstück i o und die Halsteile 16 bestehen zweckmäßig aus Leichtmetall,
insbesondere einer Legierung von Aluminium, während die unabhängigen Versteifungen
aus Stahl, z. B. solchem mit etwa 1%3 Nickelgehalt bzw. Invarstahl, hergestellt
werden und einen geringen Ausdehnungskoeffizienten haben. Der Zweck dieser Versteifungen
besteht darin, eine verhältnismäßig geringe Längenausdehnung in der zu der Kolbenzapfenachse
rechtwinkligen Richtung zu sichern, während die mit den Versteifungen durch Gießen
oder ein anderes geeignetes Verfahren verbundenen Mantelteile eine kreisförmige
Ausdehnung zulassen, ihr Abstand voneinander jedoch nahezu konstant bleibt, wodurch
ermöglicht wird, die Mantelflächen in dem Zylinder im kalten Zustande dicht anzupassen,
ohne daß dadurch beim Erhitzen ein Festklemmen des Kolbens im Zylinder erfolgt.
Die Ausdehnung des Kolbens wird auf dreierlei Weise geregelt, und zwar erstens durch
den Ausdehnungskoeffizienten der Versteifungen, zweitens durch den zwischen den
Versteifungen befindlichen Zwischenraum und drittens durch die besondere Gestaltung
der Versteifungen, wie z. B. gemäß Abb. 7 bei 17'.
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In manchen Fällen mag es wünschenswert sein, die Verbindung zwischen
den Bolzenaugen und den Mantelflächen zu verstärken. Dieses kann, wie aus Abb.4
und 6 ersichtlich, erfolgen, indem beim Gießen aus dem Metall Rippen 23 geformt
werden, die sich von den Bolzenaugen nach den unmittelbar am Ende des Versteifungsstückes
angrenzenden Mantelflächen erstrecken. Falls diese Rippen genügend stark ausgebildet
werden, können die Vorsprünge und Zungen der Versteifungen in Fortfall kommen, wodurch
sich die Gestaltung der Versteifungen vereinfacht.
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In einigen Fällen, wo die Bolzenaugen klein sina, wie in Abb. 7 bei
13', kann es zweckmäßig sein, die Versteifungen, wie bei 17'
gezeichnet, zu
biegen; sie können entweder in bogenförmiger oder in anderer geeigneter Form, wie
z. B. in Abb. 7, gestaltet sein.
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In Abb.8 und 9 bezeichnet das Bezugszeichen 26 das Kopfstück des Kolbens,
das in jeder beliebigen geeigneten Form ausgebildet sein kann und mit den Bolzenaugen
27 verbunden ist. Die Bolzenaugen werden hier gezeigt, wie sie mit dem zylindrischen
Mantel 2S durch die Versteifung 34 in Verbindung stehen. Der Mantel ist dadurch
abweichend von dem gemäß Abb. i, daß die dort in punktierten Linien gezeichneten
Teile bei Abb. 8 nicht entfernt sind.
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Die Verbindung zwischen den Bolzenaugen und dem Kopf ist durch Rippen
verstärkt, die aus einem inneren Teil 30 und einem äußeren Teil 31 bestehen.
Die Verbindung zwischen den Bolzenaugen und dem unteren Mantelteil ist in ähnlicher
Weise durch eine Rippe 32 bewirkt.
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Wie aus Abb. 8 ersichtlich, werden die Teile 34, die sich über und
unter den Bolzenaugen befinden, durch die Seitenteile 35 verbunden und bilden mit
diesen zusammen eine einheitliche Versteifung. An den Seiten der Versteifung sind
Ansätze 36 angeordnet, die in das Metall des Mantels, der um die Versteifung gegossen
wird, eingreifen. Das über den Bolzenaugen befindliche obere Glied der Versteifung
ist in das Metall des Bolzenauges eingebettet; dieses obere Glied ist zweckmäßig
mit Ansätzen 37 o. dgl. versehen, so daß es : fest gesichert ist. Das untere Glied
der Versteifung kann, wie aus Abb. 9 ersichtlich, in bezug auf die Bolzenaugen,
die mit dem unteren Mantelteil durch das Verbindungsstück 29 im Zusammenhang stehen,
frei sein, da dieses Glied der Versteifung 34 nur dazu dient, die Mantelflächen
zu verbinden. Ein Schlitz 38 kann in einen oder jeden der Mantelabschnitte 33 von
der unteren Kante derselben an sich hineinerstrecken.
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Wie in Abb. i o veranschaulicht, können die Enden der Versteifung
abgebogen sein, um sie noch fester in den Werkstoff des Kolbenmantels einzubetten;
in diesem Falle können die Ansätze 36 fortgelassen werden.
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Eine Anordnung zur Veränderung der Ausdehnung der Versteifung ist
in Abb. i i gezeigt. Das untere Glied ist bei 4o unterbrochen und bei 39 mit Ansätzen
versehen, so daß die Enden des unterbrochenen Gliedes fest in die Bolzenaugen oder
in den unteren Halsteil eingebettet werden können. Die Ausdelinung
dieses
Gliedes wird durch den ztt-ischen den Enden 4o vorgesehenen Zwischenraum geregelt.
Die Ansätze 37' dienen demselben Zwecke wie die bei 37 in Abb. 8 dargestellten.
Das Metall des Mantels kann an den Enden der Versteifung vollständig um den entsprechenden
Abschnitt der Versteifung herumgehen, ebenso wie der über den Bolzenau-en liegende
Teil der Versteifung an der Mitte ganz eingebettet sein kann, wie es z. B. bei der
beispielsweisen Ausführungsform gemäß Abb. 9 geschehen ist. Diese-Anordnung ist
jedoch nicht immer erforderlich, sondern es genügt auch in manchen Fällen, wenn
die Versteifungen mit den Halsteilen nur im Zusammenhang stehen bzw. in Berührung
mit ihnen gezogen werden.
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Bei der in Abb.9 dargestellten Ausführungsform braucht die Versteifung
unterhalb der Bolzenaugen nicht fest verankert zu sein, da der Mantel an dieser
Stelle mit den Bolzenaugen verbunden ist. Die Verankerung des mittleren Teiles der
Versteifung über dem Bolzenauge soll verhindern, daß unbeabsichtigte Spannungen
in dem unteren Teil des Mantels entstehen.
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Gemäß einer weiteren, in Abb. 12 darge-_ stellten Ausführungsform
besitzt der Kolben ein Kopfstück 41 und einen Mantel 4a. Die zweckmäßig aus einem
Stück bestehenden Teile 43 sind zwecks Bildung von Bolzenaugen durchbohrt. Der Kolbenmantel
besteht gewöhnlich aus einem stärker sich ausdehnenden Baustoff als das Kopfstück
und ist mit dem Kopfstück durch eine oder mehrere Versteifungen 44 aus verhältnismäßig
wenig sich dehnendem Werkstoff verbunden. Auch hier sind es paarweise angeordnete
Versteifungen, deren mittlere Teile in das Metall der Halsteile 43 eingebettet und
deren Enden in aufwärts sich erstreckenden Teilen 45 des Mantels eingebettet sind.
Der Kolbenmantel kann an seinem unteren Teil als ein ununterbrochener Ring ausgebildet
sein, oder er kann durch Sägeschnitte bei 46 unterbrochen werden, die am zweckmäßigsten
in einem kleinen Winkel zu der Kolbenachse ausgeführt werden.
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Bei der Herstellung des Kolbens werden die Kolbenbolzenlager und der
Kolbenmantel derart gegossen, daß sie die Versteifungen in der z. B. aus Abb. 2,
4, 9 oder 12 ersichtlichen Art umschließen, wobei zuerst die Versteifungen richtig
in die Form gesetzt und in dieser Lage durch in die Öffnungen i9 greifende Teile
oder durch die als Zungen ausgebildeten waagerechten Versteifungsglieder, die von
dem Metall des Kolbens frei bleiben, gehalten werden. Naturgemäß wird das Metall
beim Abkühlen derart zusammenschrumpfen, daß es eine hohe Spannung auf die Versteiftmgen
ausübt. Diese Spannung wird zwar zum Teil, aber doch nicht ganz bei den Arbeitstemperaturen
des Kolbens aufgehoben. Demzufolge werden die Mantelabschnitte nicht das Bestreben
haben, sich von den Enden der Versteifungen zu entfernen.
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Eine andere Ausführungsform der Versteifungen ist in Abb. 13 und i
¢ gezeigt, gemäß welchen die Versteifungen nicht unabhängige Teile darstellen, sondern
aus einem Teil der den Kolbenmantel bildenden zv_ lindrischen Röhre bestehen.