DE579345C - Kolben mit Leichtmetallkopf und Eisenschaft - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AIH 24. JUNI 4933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

. JVi 579345 ' KLASSE 47 f GRUPPE 19oi

E 39245 Xlllwf

Tag der Bekanntmachung über die Erteilung des Patents: 8. Juni

Elektronmetall G. m. b. H. in Stuttgart-Cannstatt*) Kolben mit Leichtmetallkopf und Eisenschaft

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. Mai 1929 ab

Das geringe Gewicht sowie die ausgesprochen gute Wärmeleitfähigkeit der Leichtmetalle fährte zu ihrer Verwendung als Kolbenbaustoff. Diesen großen Vorteilen stand die wenig gute Laufeigenschaft sowie der hohe Ausdehnungskoeffizient der Leichtmetalle als Nachteil entgegen.

Die besten Laufeigenschäften sowie außerordentlich, geringe und die richtige, dem Zylinder angepaßte Wärmeausdehnung weist immer noch der von alther bekannte Graugußkolben auf. Bisherige Bestrebungen, die beiden Materialien Leichtmetall und Grauguß günstig zu vereinigen, schlugen fehl. Es ist zwar bereits eine Kolbenausführung mit Leichtmetallkopf und Eisenschaft bekannt, bei welcher der Eisenschaft lediglich durch dünne, schmale, in die Kolbenbolzenaugen eingegossene Lappen mit dem Kolbenkopf

ao verbunden ist. Kolben dieser Art haben aber keinen Eingang in die Technik der Verbrennungskraftmaschinen gefunden, weil bei dieser Verbindung von Kopf und Schaft im Laufe der Zeit eine Lockerung der Verbin^

»5 dungsstellen eintritt, hervorgerufen durch die verschieden große Wärmeausdehnung der beiden Materialien unter dem Einfluß der Betriebstemperatur. Dabei macht es auch keinen Unterschied, ob nach anderen Vorschlagen die Verankerung versucht wird durch Vergießen von Mantelteilen in Fortsätzen, die vom Kolbenkopf ausgehen und über die Mantellänge sich erstrecken, oder durch Verschrauben in Verbindung mit Vergießen.

Die Erfindung betrifft nun die Neuerung in der Verbindung von' Kolbenkopf und -schaft, die im wesentlichen darin besteht, die Verbindungsstellen auf kürzeste Strecken zu beschränken. Der Neuerung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ursache der bisherigen Fehlschläge in der Abhängigkeit der-Wärmeausdehnung von der räumlichen Größe des Stücks liegt, d. h. große Abmessungen des betreffenden Körpers bedingen große Aus- «* dehnungen. Hinzu kommt noch die Höhe der Temperatur selbst, die ebenfalls direkten Einfluß auf die endgültige Größe des Körpers hat, die er unter der auftretenden Temperatur annimmt. Alle bisher bekanntgewordenen zweimetalligen Kolben haben auf diese Erkenntnis wenig Wert gelegt. Die durch Gießen oder Verschrauben hergestellten Verbindungsstellen der beiden vereinigten Teile liegen so, daß die Ausdehnung sehr groß wird und damit auch die Differenz der Ausdehnungswege beider Körper.

Im Betriebszustand ergibt sich damit bei den beträchtlichen Temperaturen, die ein Kolben annimmt, verschiedene Größe beider

*) Von dem Patentsucher ist als der Erßnder angegeben worden:

Dr.-Ing. Erich Wilhelm Heinrich Koch in Stuttgart.

Teile, die wieder auf das Ursprungsmaß zusammenschrumpfen, wenn sie kalt werden, also wenn der Motor steht. Ein dauerndes Gegeneinanderarbeiten, das schließlich zur 5· Lockerung führen muß, ist die notwendige Folge.

Die Erfindung, die durch die Zeichnung erläutert wird, vermeidet diese Übelstände dadurch, daß I. die Verbindungsstellen der bei- *o den Teile in ihrer gegenseitigen Verbindungslänge auf ein Minimum. beschränkt und elastisch ausgebildet werden, 2. die Verbindungsstellen selbst in ein Gebiet verlegt sind, wo a) räumlich sehr kurze Eingußwege von *5 nur wenigen Millimetern möglich sind, und ferner b) keine hohen Temperaturen und damit auch keine großen Temperaturunterschiede bestehen. Der Kolben selbst hat im Betriebszustand nämlich keine gleichmäßige a° Temperatur, sondern in ihm findet ein Wäfmefluß und damit ein Temperaturgefälle statt, und zwar nach vorgenommenen Untersuchungen so, daß etwa 80 °/₀ der Wärme am Ende der Ringpartie bereits als abgeführt gelten kann. Die rein schematische Kolbendarstellung nach Abb. 1 zeigt, daß die höchsten Temperaturen am Kolbenboden sind, der Hauptwärmefluß spielt sich in der Partie der Ringzone ab, während am Schaft und in der Zone des Kolbenbolzenauges nur noch verhältnismäßig niedrige Temperaturen bestehen.

In diese- Zone um das Kolbenbolzenäuge, in der die relativ niedrige Betriebstemperatur von etwa 130 bis 150° herrscht, ist nun die Verbindungsstelle gelegt. Dabei sind erfindungsgemäß die öffnungen e für die Kolbenbolzenaugenlager in die flachen Seiten/ des eisernen Kolbenschaftes verlegt, dessen beide gewölbte Seiten k die Tragflächen des Kolbens bilden (Abb. 4, Querschnitt des Kolbenschaftes). Die Distanz zwischen den flachen Seiten ist dabei mit der Maßgabe gewählt, daß die Kolbenbolzenaugenlager ein hinreichend großes Ausmaß zur Lagerung des Bolzens erhalten, ohne an ihren Außenseiten die Zylinderwand zu berühren. Hierbei sind i. in der ebenen Fläche/ des Eisenschaftes, in der Zone um das Bolzenauge, durch Schlitze oder Ausschnitte im Schaft schmale Lappen i ausgebildet (vgl. Abb. 3 und 6), und 2. sind auf den ebenen Flächen des Eisenschaftes Wülste m (Abb. 2) angebracht, die sich über die ganze Breite jeder Fläche Einziehen; diesen Wulsten parallel kann auch noch eine nach außen abgebogene oberste überhöhte- Kante / des Schaftes verlaufen. Wird der Kolbenboden samt den von ihm ausgehenden Kolbenbolzenaugenlagern aus Leichtmetall in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Form gegossen, so wird eine Verankerung·" des Leichtmetalls mit dem ELsenschaft zwischen den Lappen, unter Einschluß der Wülste, herbeigeführt, welche erfahrungsgemäß den Wirkungen der auftretenden Temperaturschwankungen widersteht, obwohl der Ausdehnungskoeffizient des Leichtmetalls annähernd doppelt so groß ist als derjenige des Eisens. Ein so günstiges Ergebnis wäre nicht zu erwarten, wenn die Verbindung, anstatt in der Zone der Kolbenbolzenaugeh, etwa in der Ringzone vorgenommen würde.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, in denen gemäß den Abb. 2 bis 4 der Eisenschaft in einem Stück aus Grauguß hergestellt ist, während in Abb. 5 die Abänderung vorgesehen ist, daß in der ebenen Fläche des Graugußschaftes die gelappte Zonei' um die Kolbenbolzenaugen aus einem anderen Material mit geringerer Wärmeausdehnung,, z. B. Invarstahl, besteht, welche ihrerseits durch Einnieten oder Einschweißen mit dem Schaft verbunden ist. Anstatt von Grauguß kommen als Baustoff aber auch gestanzte oder verschweißte Eisenbleche in Betracht oder gehärtete oder nitrierte Stahlbleche zwecks Erreichung größter Verschließfestigkeit.

Hierdurch werden alle Vorzüge dieser teils erst in letzter Zeit bekanntgewordenen verschiedenen Werkstoffe voll ausgenutzt. Es ergeben sich folgende Vorteile:

1. Geringes Gewicht des gesamten Kolbens. Versuche haben ergeben, daß das Gewicht gleich oder niedriger ist als das der heute bekannten Leichtmetallkolben.

2. Durch die Verwendung eines Leichtmetalls mit guten Wärmeleiteigenschaften für das Oberteil ergeben sich alle bekannten guten Eigenschaften von Leichtmetallkolben (kalter Kolben — große Füllung, hohe Leistung — geringer Brennstoff- und Ölverbrauch) .

3. Durch die Verwendung von Grauguß

byw. Stahl für den eigentlichen Schaft wird die gleiche gute Laufeigenschaft und Lebensdauer erreicht wie bisher bei normalen Graugußkolben.

4. Durch die Verwendung von Invarstahl für die eingegossenen Lappen wird erreicht, «o daß das Kolbenspiel ebenso klein -wird wie beim sogenannten Nelson-Bohnalitkolben, also kleiner als beim Graugußkolben, und der Kolben sich trotzdem gleichmäßig mit dem Zylinder ausdehnt, also sein kleines Spiel immer gleichmäßig über alle Betriebszustände beibehalt.

5. Durch die Verwendung von z. B. nitriertem Stahl für die Laufflächen des Schafts wird die Verschleißfestigkeit, also die Lebens- tao dauer gegenüber dem Graugußkolben, noch weiter erhöht.

Claims (3)

1. Patentansprüche:
   ι. Kolben mit Leichtmetallkopf und Eisenschaft, bei dem der Eisenschaft lediglich durch dünne, schmale, in die Kolbenbolzenaugen eingegossene Lappen mit dem Kolbenkopf verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenschaft aus einem Körper mit zwei gewölbten tragenden Flächen (Jk) und zwei zwischengeschalteten flachen, die Kolbenbolzenlager aufnehmenden Seitenflächen (f) besteht, wobei die Seitenflächen (/) durch radiales Schlitzen um die öffnungen (e) für die Kolbenbolzen herum die schmalen, mit dem Leichtmetall für die Kolbenbolzenaugen (h) zu umgießenden Lappen (i) bilden und wobei die Seitenflächen (f) außerdem oberhalb und unterhalb der Bolzenöffnungen Wülste (m) tragen.
2. 2..Kolben nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbindung dienenden Lappen (i') jeder Seite ein Teil für sich bilden, das in die Wandung der flachen Seitenflächen (/) des Schaftes besonders eingesetzt und mit ihm durch Einnieten, Einschweißen o. dgl. verbunden ist
3. 3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lappen tragende Teil (*') in bekannter Weise aus einem anderen Werkstoff als dem des Eisenschaftes, insbesondere aus einem Werkstoff geringer Wärmeausdehnung besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen