DE1476049A1 - Kolben - Google Patents

Description

Ford-Werke Aktiengesellschaft, 5 Köln-Deutz 1, Ottoplatz 2

"Kolben"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben, einen sogenannten "Leichtkolben", für Brennkraftmaschinen mit einem Kopfstück und an diesem angeformte, die Kolbenbolzenlager und die Kolbenmantelteile tragende Kolbenbolzenzapfen, wobei die Kolbenmantelteile - in Achsrichtung des Kolbens gesehen - mit Abstand vom Kopfstück angeordnet sind.

Es ist heute allgemein üblich, in besonders schnellen Verbrennungsmaschinen Kolben zu benutzen, die aus Aluminium oder anderen ähnlichen Leichtmetallen oder Leichtmetallegierungen

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UntÖilagen (An. ι ■„ . . . ... * . .ι.. όΆΖ ο des Afiiiurunssy«s. v. 4. L

hergestellt werden. Durch die Benutzung dieser leichten Kolben können große Kostenersparnisse erreicht werden, da das Gewicht der anderen Maschinenteile ebenfalls entsprechend verringert v/erden kann. So kann beispielsweise, wenn die hin- und hergehende Masse verringert wird, die ein Gegengewicht darstellende Masse der Kurbelwelle ebenfalls verringert werden. Hinzu kommt, daß die auf die Kurbelwelle, die Kurbelwellenlager, die Verbindungsgestänge und die Lager für die Verbindungsgestänge einwirkenden, verringerten Massenkräfte es ermöglichen, diese Teile mit einem erheblichen Kostengewinn zu vereinfachen.

Der Einsatz von Leichtmetallen in der Herstellung für Kolben stellt jedoch verschiedene Probleme. Die üblicherweise verwendeten Leichtmetalle haben hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten und hohe Wärmeleitkoeffizienten. Die Zylinder, in welchen die Kolben auf- und abgehen, werden normalerweise aus Gußeisen hergestellt, welches einen niedrigeren ',/ärir.eausdehnungskoeffizienten aufweist, so daß eich der Kolben und die Zylinderbohrung ungleichmäßig ausdehnen. Ja bei ansteigender Temperatur der Durchmesser des Kolbens schneller anwächst als der der Zylinderbohrung, muß der Kolben, wenn die Has chine ka.lt ist, lose innerhalb der Zylinderbohrung gehalten werden, um ein Pestfressen zu vermeiden, wenn die Arbeitstemperatur erreicht ist. Der lose eingepaßte Kolben ruft ein bemerkenswertes Geräusch hervor, welches als "Kolbenschlackern" bekannt ist.

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Um dieses Kolbenschlackern zu vermeiden und ein besseres Anpassen des Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung herbeizuführen, ist bereits vorgeschlagen worden, gewisse Einsätze zu verwenden, welche in den Kolben eingegossen sind, um das Wärmewachsen zu verringern oder ihm zu widerstehen. Die Verwendung solcher das Expandieren kontrollierender Einsätze erhöht jedoch die Kosten der Kolbenfabrikation bedeutend. Die Einsätze müssen beim Guß des Kolbens in der Kolbenform genau angeordnet sein und zur Halterung der Kolbeneinsätze muß zusätzliches Kolbenmateriai verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen leichten Kolben su schaffen, bei welchem die V.'ärraeausdehnung verringert ist. v/eiterhin betrifft die Erfindung einen Leichtkolben, der sich für ein vereinfachtes Herstellungsverfahren eignet.

Der hohe '.«ärmeleitkoef fisient der zur Kolbenhorst ellung verwendeten Leichti'ietalle .veist sber v/eitere Machteile auf. Die an: Kol^eiüvopf erzeugte Verbreri:iuu£3vrLi.rr.e .virä schnell durch der. KoI"!. en]:opi" zu den Ki'.ijnuten und zugehöriger. Kolbenringen jef'-ihrt. Erhitzer. 3ich die Kolbenringe, so v/ird das von den Iyii:-der.vendiu;jon acgeso'irr-c-pte Ol an ien KoI' erringen und iiir.erli'ilV ier Ringnuten verkohl.t. Die Kohle:i3tcffbildung veri'i::jo:.-t aV er den 7J>ic}ii;ei\f ch: i\v.: die Dicht wirkung der Hinge, .-uiorie.. hacen .lie dünne·: Kolben .'injo v.'eiterl.i:-. dio !enden::,

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sich zu verwerfen oder zu verbiegen, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Es ist daher weiterhin ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kolben zu schaffen, bei welchem die Kolbenringe vor hohen Yerbrennungstemperaturen isoliert sind.

Ein den Gegenstand der Erfindung bildender Kolben für Verbrennungsmaschinen ist gekennzeichnet durch zwei am Unterteil des Kopfstückes zwischen dem Kolbenbolzenzapfen angeformte, frei im Raum endende Wärmeabführrippen, die in axialer Richtung nach unten über den zwischen der TJnterkante des Kopfstückes und der Oberkante der Mantel gebildeten Zwischenraum vorstehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung hervor, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darstellt. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Wegbruch, eines leichtkolbens gemäß der Erfindung, in

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie 2 - 2 in Fig. 1, in

Fig. 3 eine Seitenansicht eines manteltragenden Spriegels des Kolbens entsprechend Fig. 1, in

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Pig. 4 eine Aufsicht auf den Spriegel gemäß Fig. 3, in

Pig. 5 einen Querschnitt durch einen Kolbenbolzenzapfen des Kolbens gemäß Fig. 1 und in

Pig. 6 einen Querschnitt gemäß der linie 6 - 6 in Fig. 5.

In der Zeichnung ist ein Leichtkolben gemäß der Erfindung allgemein mit dem Bezugszeichen 11 versehen, wobei ein solcher Kolben ein Kopfstück 12 mit einer oberen Wandung 13 aufweist, die von einem im wesentlichen zylindrischen Kolbenringbereich 14 umgeben wird. Zwei Kolbenringnuten 15 sind im Umfang des Ringbereiches 14 vorgesehen. Die in der Zeichnung nicht dargestellten, an sich bekannten Kolbenringe oder Kompressionsringe können in die Ringnuten 15 eingesetzt werden. Ein am unteren Ende des Kolbenringbereiches 14 vorgesehener hinterdrehter Bereich 16 bildet eine obere und innere Oberfläche einer Ölringnute. Ein an sich bekannter und in der Zeichnung nicht dargestellter Ölring kann in diese ölringnute eingesetzt werden.

Ein Paar von einteiligen Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 erstreckt sich von diametral gegenüberliegenden Seiten des Kopfstückes 12 nach unten. Die Kolbenbolzenzapfen 17 und liegen mit ihren äußeren Oberflächen 19 und 21 radial nach

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innen vom Umfang des KoIbenringbereich.es 14 zurückversetzt. In Flucht miteinanderliegende Kolbenbolzenlager 22 und 23 sind jeweils in den Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 vorgesehen.

Das Kopfstück 12 und die Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 werden aus einem einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweisenden Leichtmetall gegossen. Hierzu kann jede bekannte Aluminiumlegierung verwendet werden. Aufgrund des hohen Wärmeleitkoeffizienten wird die an der oberen Wandung 13 des Kolbenkopfes erzeugte Verbrennungswärme schnell durch den üblichen Kolben zu den Kolbenringnuten und Kolbenringen geleitet. Bei dem dargestellten Kolben erstreckt sich eine Hippe 24 von der unteren Fläche 25 des Kopfstückes 12 an jeder Seite des Kolbens 11 nach unten. Jede Rippe erstreckt sich in Umfangsrichtung zwischen den Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 radial vom Kolbenringbereich 14 nach innen versetzt. Zwischen der äußeren Oberfläche jeder Rippe 24 und der gegenüberliegenden inneren Oberfläche 27 des Kopfstückes 12 wird ein gewölbter Luftspalt 26 gebildet.

Wird das Zentrum der oberen Wandung 13 des Kolbenkopfes hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt, so wird die Wärme schnell über die obere Wandung 13 zu den Rippen 24 an jeder Seite des Kolbens geführt. Zumindest ein Teil der Wärme wird zu den Rippen 24 geführt, anstatt zu dem Kolbenringbereich 14. Eine

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Weiterführung der Wärme von den Hippen 24 zu den Kolbenringnuten 15 und 16 ist aufgrund der Gegenwart der Luftspalte 26 nicht möglich, öl, welches von der Zylinderwandungsfläche durch den Ölring abgeschrappt wird, trifft auf die Rippen 24, da sich diese bis unter den Ringnutbereich 14 erstrecken. Dieses Öl wird Wärme von den Rippen 24 abführen und somit die Kühlwirkung unterstützen.

Bisher war es üblich, Ölbohrungen durch die Kolbenbolzenzapfen zu führen, um die*Kolbenbolzenlager und Kolbenbolzen zu schmieren. Bei dem dargestellten Kolben 11 sind auf jeder Seite der Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 Nuten 28 vorgesehen. Diese Nuten 28 erstrecken sich von der unteren Fläche der Zapfen 17 und 18 nach oben und haben eine ausreichende Tiefe, um die Kolbenbolzenlager 22 und 23 zu schneiden (Fig. 1, 5 und 6). Das obere Ende jeder Nute 28 endet in einer nach innen ansteigenden Fläche 29. Während des Hin- und Herlaufes des Kolbens 11 wird das öl auf die Seiten der Nuten 28 auftreffen und nach oben zu der Fläche 29 geführt werden. Die Neigung der Fläche 29 unterstützt den Fluß des Öls zum Kolbenbolzenlager 22 bzw. 23 und zu den in diesen Lagern angeordneten, in der Zeichnung nicht dargestellten Kolbenbolzen. Die Nuten 28 weisen einen solchen Winkel auf, daß sie während des Gießens des Kolbens durch entsprechende Formung des KoI-

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benkernes hergestellt werden können. Die äußeren Oberflächen der Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 werden ebenfalls mit einem solchen Winkel ausgebildet und die innere Oberfläche des Kopfstückes 12 ist so geformt, daß der Kolben unter Benutzung eines einzigen, permanenten Kernes gegossen werden kann«

Die inneren Enden der Kolbenbolzenlager 22 und 23 sind, wie dies bei 31 ersichtlich, abgeschrägt. Die Abschrägung 31 öffnet die Teile der Kolbenbolzenzapfen 17 und 18 zu der nicht dargestellten Verbindungsstange hin. Seitlicher Druck des Kolbens oder der Verbindungsstange erfordert einen gewissen Grad von Härten der Kolbenbolzenzapfen in der Berührungszone. Die Härtung würde ein Festlegen der Kolbenbolzen in den Kolbenbolzenlagern 22 und 23, wenn die Abschrägung 31 nicht vorhanden wäre, bedingen.

Genauso wie bei den üblichen bekannten Kolben berührt der Kolbenringbereich 14 nicht die eigentliche Zylinderwandung. Jedoch sind die Zylinderwand berührende Flächen vorgesehen, und zwar gleitechuhartig ausgebildete Köntel 32 und 33, welche auf sich diametral gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 11 unterhalb des Kopfstückes 12 angeordnet sind. Die Mäntel 32 und 33 haben im wesentlichen leicht gebogene äußere Berührungsoder Lagerflächen 34, 35» welche sich zv/ischen den Zapfen 17

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und 18 erstrecken, um derart eine die Zylinderwand berührende Fläche zu schaffen. Die oberen Kanten der Mantel 32 und 33 sind axial von dem Kopfstück 12 durch Zwischenräume 36 und getrennt. Weiterhin sind die oberen Enden der Mäntel 32 und mit bearbeitenden Flächen 38 und 39 versehen, welche eine untere Anlagefläche für die Ölringnut bilden, in welcher der eigentliche, nicht dargestellte ölring gelagert werden kann.

Bei den bekannten'Kolbenarten bestehen die Mantel aus einem Teil mit dem Kolbenbolzenzapfen und stehen derart auch mit dem Kolbenkopf in Verbindung. Aufgrund dieser Verbindung mit dem Kopfteil waren die üblichen Mäntel extremen Y/ärmespannungen ausgesetzt. Das Kopfteil des Kolbens dehnt sich, wenn es erhitzt wird, radial in allen Richtungen gleichmäßig aus. Die Mantel wachsen aufgrund der Tatsache, daß sie hauptsächlich mit dem Kopfteil des Kolbens über die Kolbenbolzen verbunden sind, radial in Richtung der Kolbenbolzenlager. In der Richtung normal zur Kolbenbolzenachse werden die Mantel nach innen von der Zylinderwand abgezogen, da sie im allgemeinen nicht unmittelbar mit dein Kopfteil in diesem Bereich verbunden sind. Aufgrund des ungleichmäßigen Wachsens der Mantel bei normalen Kolben war es üblich, die Mäntel so zu formen, daß sie ihre größte Dimension längs einer Achse aufweisen, welche normal zur Kolbenbolzenachse steht. Die Breite wuchs in der Richtung zu den Kolbenbolzenzapfen. Diese bearbeiteten Mantel nehmen

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nahezu die Form eines wirklichen Kreises ein, wenn der Kolben bei seiner Arbeitetemperatur voll expandiert ist. Obgleich also diese Behandlung einen besseren Paßsitz bei der Arbeitstemperatur ermöglicht, wird hierdurch das Problem des Kolbenschlackerns während der ,/armlauf periode vergrößert.

Bei dem dargestellten Kolben 11 bestehen die Kolbenmäntel 32 und 33» obgleich sie aus dem gleichen Uerkstoff wie das Kolbenkopfstück 12 gefertigt sind, weder mit dem Kolbenkopfstück 12 noch mit den Kolbenbolzenzapfen 17 und 19 aus einen Teil. Allgemein mit dem Bezugszeichen 41 und 4-2 bezeichnete .Spriegel, die in den Fig. 3 und 4 in größeren llaßstab dargestellt sind, sind in die Kolbenbolzenzapfen 17 und 16 während des Gießens des Kolbens eingebettet. Die Spriegel 41 und 42, von denen im nachfolgenden nur einer im Detail beschrieben werden soll, haben ein zentrales Teil 43» welches sich in einer Richtung normal zur Achse der Kolbenbolzenlager 22 und 23 erstreckt. Dieses zentrale Teil 43 weist eine vergrößerte Bohrung 44 auf, welche konzentrisch mit dem Kolbenbolzenlager 22 liegt. Die Bohrung 44 v/eist einen größeren Durchmesser als das Lager 22 auf. Ein gewölbtes Teil 45 erstreckt sich oberhalb der Bohrung 44. Das gewölbte Teil kurvt sich, wie aus Pig. 4 ersichtlich, nach außen. Das zentrale Teil 43 ist etwas kürzer - in der Länge gesehen - als der Zapfen und endet oberhalb der unteren Fläche des Zapfens 17. Das zen-

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trale Teil 43 ist weiterhin radial nach außen gegenüber der Schmiernute 28 versetzt und endet an jeder Seite an nach innen abgebogenen oder abgekanteten Enden 46 und 47. Eine Vielzahl von vertikal angeordneten Bohrungen 48 sind in jeder der Endteile 46 und 47 vorgesehen, wobei diese Bohrungen von innen nach außen gestanzt werden können, so daß ein grotartiger Bereich 49 jede Bohrung umgibt.

Während des Gusses des Kolbens v/erden die Spriegel 41 und 42 in der Form festgelegt und das schnei ζ fluss ige Metall, v/elches die I-Iäntel 32 und 33 bildet, kann durch die Bohrungen 48 hindurchfließen, ui;i derart Bolzen 51 an der inneren Fläche jedes Spriegels 43 zu bilden (Fig. 2). Die Bolzen oder knopfartigen Erhöhungen [31 legen die Mäntel 32 und 33 an jeder Seite der Spriegel 43 mit einem minimalen Aufwand an Werkstoff fest.

Es ist offensichtlich, daß, wenn der Kolben 11 innerhalb der Maschine arbeitet, das Kopfstück 12 erhitzt wird. Das erhitzte Kopfstück 12 wächst dabei gleichmäßig in allen radialen Richtungen. Die volle radiale Ausdehnung des erhitzten Kopfstückes 12 ;:ird jedoch nicht zu den Mänteln 32 und 33 übertragen, da die Hantel 32 und 33 axial von dem erhitzten Kopfstück 12 durch die Räume 3S und 37 und in TJmfangsrichtung von den Zapfen 17 und 18 durch die Spriegel 41 und 42 entfernt sind. Da die Spriegel 41 und 42 aus Stahl hergestellt werden

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oder einem anderen, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Metall sind die Hantel 32 und 33 nicht einer solch großen Wärmeausdehnung wie das Kopfstück 12 ausgesetzt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind demgegenüber Abänderungen möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

Patentansprüche;

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Claims (5)

147604S Patentansprüche;

1. Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kopfstück und an diesem angeformte, die Kolbenbolzenlager und die Kolbenmantelteile tragende Kolbenbolzenzapfen, v/obei die Kolbenmantelteile - in Achsrichtung des Kolbens gesehen mit Abstand vom Kopfstück angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwei am Unterteil des Kopfstückes (12) zwischen dem Kolbenbolzenzapfen (17, 18) angeformte, frei im Raum endende Uärmeabführrippen (24), die in axialer Richtung nach unten über den zwischen der Unterkante des Kopfstückes (12) und der Oberkante (38, 39) der Mantel (32, 33) gebildeten Zwischenraum (36, 37) vorstehen.

2. Kolben nach Anspruch 1 mit einem zylindrisch ausgebildeten Kopfstück, dadurch gekennzeichnet, daß die l/ärmeabführrippen (24) an der inneren Fläche (25) der oberen Wandung (13) des Kopfstückes (12) angeordnet sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführrippen (24) in radialer Sichtung nach innen gegenüber der inneren Oberfläche (27) der zylindrischen Wandung (14) des Kopfstückes versetzt sind und derart zwischen Rippe (24) und Wandung (14) ein luftraum (26) gebildet ist.

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Neue Unterlagen (Art. 7 a j aus. -± Nr, \ &.U 3 des Anderunssflea. v. 4.9. U

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4. Kolben nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine wenigstens an einer Seite jedes Kolbenbolzenzapfens (17, 18) vorgesehene Nut (28), die sich von der unteren Fläche des Kolbenbolzenzapfens (17, 18) nach oben zu dem Kopfstück (12) des Kolbens hin erstreckt, wobei diese Nut eine ausreichende Tiefe aufweist, um das Kolbenbolzenlager (22, 23) zu hinterschneiden und um derart einen Ölfluß zu dem Lager zu ermöglichen.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede ■ Nut (28) an ihrem oberen Ende in einer nach innen, d.h. zum Kolbenbolzenlager hin ansteigenden Fläche (29) endet.

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PRJGlNA INSPECTED

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