DE19815989A1 - Kolben-Zylinder-Anordnung - Google Patents
Kolben-Zylinder-AnordnungInfo
- Publication number
- DE19815989A1 DE19815989A1 DE1998115989 DE19815989A DE19815989A1 DE 19815989 A1 DE19815989 A1 DE 19815989A1 DE 1998115989 DE1998115989 DE 1998115989 DE 19815989 A DE19815989 A DE 19815989A DE 19815989 A1 DE19815989 A1 DE 19815989A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- piston
- cylinder
- arrangement according
- cylinder arrangement
- sliding sections
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J10/00—Engine or like cylinders; Features of hollow, e.g. cylindrical, bodies in general
- F16J10/02—Cylinders designed to receive moving pistons or plungers
- F16J10/04—Running faces; Liners
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
- F02F3/00—Pistons
- F02F3/0084—Pistons the pistons being constructed from specific materials
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
- F16J1/02—Bearing surfaces
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/28—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction of non-metals
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/02—Light metals
- F05C2201/021—Aluminium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/04—Heavy metals
- F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
- F05C2201/00—Metals
- F05C2201/04—Heavy metals
- F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
- F05C2201/0448—Steel
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung, umfassend einen Kolben (2), an dem ein Pleuel (22) anlenkbar ist, und einen Zylinder (3), entlang dessen als Kolbenführungsfläche (6) ausgebildeter innerer Bohrung (5) ein Gleitabschnitt eines Kolbens (2) axial verlagerbar ist. Eine kostengünstige Fertigung und ein leichtgängiger und fluiddichter Kolbenhub wird erfindungsgemäß dadurch geschaffen, daß wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur Abstützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3) im gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander vorgesehen sind, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen, und daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) axial fixiert sind.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Anordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 umfassend einen Kolben, an dem ein Pleuel
anlenkbar ist, und einen Zylinder, entlang dessen als Kolbenführungsfläche
ausgebildeter innerer Bohrung ein Gleitabschnitt eines Kolbens axial verlagerbar
ist.
DE-AS 29 12 786 zeigt einen Kolben für Brennkraftmaschinen sowie
ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens, der aus durch Pyrolyse
hergestellten Kohlenstoff gebildet ist. Der Kohlenstoff wird zur Erlangung einer
ausreichenden Stabilität von einer Vielzahl von Kohlenstoffasern durchsetzt, die
auf diese Weise eine Matrix für die Gesamtheit des Kolbens bilden. Die
Herstellung des bekannten Kolbens durch Pyrolyse ist aufwendig, denn
Schrumpfungsprozesse bei der Herstellung müssen bei der Dimensionierung der
Rohkolben (Rohling) Berücksichtigung finden. Ferner sind die für die Stabilität und
Festigkeit unverzichtbaren Kohlenstoffasern derart in komplizierter Weise zu
verlegen, daß Durchbrechungen wie Bohrungen und dergleichen, die durch
nachfolgende spanende Fertigung in den Kolben vorgesehen sind, die
Kohlenstoffasermatrix nicht verletzen, da dies eine dramatische Einbuße an
Festigkeit bedeutet. Der bekannte Kolben ist auf der verbrennungsseitigen
Stirnseite mit einer Schutzschicht aus Siliziumcarbid versehen, die durch Plasma
auftrag in aufwendiger Weise gefertigt werden muß. Diese Werkstoffpaarung ist
fertigungstechnisch problematisch und insbesondere im Hinblick auf die
Lauffläche des Zylinders aufgrund der Härteunterschiede von SiC und Kohlenstoff
unzweckmäßig, da der Kolben Gleitoberflächen unterschiedlicher Härte aufweist,
wodurch ein unerwünschter Verschleiß in den Gleitflächen erzeugt wird. Der in
dem Kolben zum Anlenken eines Pleuels angeordneter Kolbenbolzen ist ebenfalls
aus Kohlenstoff ausgebildet, wobei dieser Werkstoff für die bei der Anlenkung von
Pleuelen auftretenden Zugbelastungen - anders als bei Druckbelastungen - nur
gering belastbar ist. Ferner ist eine aufwendige Fertigung des Kolbenbolzens
durch Pyrolyse erforderlich, um Spiel in der entsprechenden Querbohrung des
Kolbens zu unterbinden, da eine Spielbehaftung des Kolbenbolzens zu einer
unerwünschten Berührung von Lauffläche des Zylinders und Kolbenbolzen führen
kann. Die Fertigung von Sacklochbohrungen für den Kolbenbolzen ist aber
technisch aufwendig und ermöglicht nicht ohne weiteres das Einsetzen und
örtliche Fixieren von Kolbenbolzen.
DE-OS 30 01 921 zeigt einen Kolben, der dem vorerwähnten
bekannten Kolben entspricht und der mit Hilfe einer negativ nachgearbeiteten
Form hergestellt wird. Auch dieser Kolben weist eine vollständig zylindrische
Außenwand auf, die eine Kolbenbolzenbohrung senkrecht zu der Hauptachse des
Kolbens zur Fixierung des Kolbenbolzens aufweist auf und ist im Bereich des
Kolbenbodens mit drei Kolbenringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen
ausgebildet.
DE-PS 41 22 090 zeigt einen Graphitkolben für eine Brennkraft
maschine aus einem bindemittelfreien Kohlenstoff (Mesophase), dessen Kolben
boden mit einer Schutzschicht aus Verbrennungsrückständen überzogen ist. Der
bekannte Kolben weist mehrere ringartige Rücksprünge auf, derart, daß lediglich
schmale Stege umfangsmäßig in Anlage gegen die Führungsfläche eines
Zylinders gelangen. Dieser Graphitkolben ist nur für eine geringe Anzahl von
Materialien bzw. Beschichtungen der Zylinderinnenseite geeignet. Ferner muß der
Kolbenboden bei Anwendungen ohne Verbrennung dennoch auf aufwendige
Weise mit einer Schutzschicht überzogen werden. Schließlich beeinträchtigen die
schmalen Stege die Kippstabilität des Kolbens im Zylinder.
US-PS 14 67 255 zeigt den Einsatz von Kolben aus amorphem
"monolithischem" Kohlenstoffgraphit, dessen Bodenfläche sowie angrenzende
Umfangsflächen gegen Oxidation durch elektrolytischen Auftrag einer dünnen
Metallschicht abgeschottet sind. Ferner kann der Kohlenstoffgraphit durch
Einbringen von geschmolzenem Metall in das poröse Gefüge verfestigt werden.
Die Herstellung eines solchen Kolbens ist aufwendig, teuer und nicht geeignet für
moderne Hochleistungs-Kolben-Zylinder-Anordnungen. Ferner wird vorge
schlagen, den Bereich der Anlenkung des Pleuels am Kolbenbolzen mit einer
metallischen Hülse derart zu umgeben, daß die Innenfläche des Kolbens vom
Pleuel abgeschirmt ist, nicht jedoch der Kolbenbolzen. Diese Konstruktion
erfordert eine aufwendige Schmierung und ist darüber hinaus fertigungstechnisch
schwer herstellbar. Außerdem muß zur Anpassung an eine Zylinderlauffläche ein
Großteil des Kolbens ausgewechselt werden, um die Anlenkung an das Pleuel für
einen anderen Kolbenwerkstoff in Anpassung an die Zylindergleitflächen nutzen
zu können.
EP-PS 02 58 330 zeigt eine Kolben-Zylinder-Anordnung eines
Kolbenmotors mit einem Kolben aus Kohlenstoff, der wenigstens einen Kolbenring
aufweist, der radial über die Umfangsfläche des Kolbens vorsteht. Der Kolbenring
ist mehrteilig ausgebildet, wobei ein Spreizelement, das sich mit einer Druckfeder
gegen die Innenwandlung der Kolbenringnut abstützt, zwei im wesentlichen
halbkreisförmige Kolbenhalbringe in Richtung auf die Lauffläche vorspannt. Die
Herstellung derartiger Druckfedern ist aufwendig und im Einsatz anfällig für
Defekte. Ferner stößt das der Feder abgewandte Ende des Spreizelementes oder
aber die gegen dessen konische Fläche stoßende Stirnseite des
Kolbenhalbringes gegen die Lauffläche des umgebenden Zylinders bzw. einer
Laufbüchse des Zylinders, so daß sich eine punktuelle, durch die axiale
Verlagerung des Kolbens zu einer Linie verlängernde mechanische Belastung der
Lauffläche ergibt, die zur Rillenbildung und erhöhtem Verschleiß der Lauffläche
oder des Kolben rings, letztlich sogar zur Undichtigkeit führt. Des weiteren ist der
zum Einsatz vorgeschlagene Kohlenstoff von geringer Festigkeit, weshalb eine
Verstärkung mit Kohlenstoffasern oder die Verwendung von Additiven zur Bildung
eines modifizierten Kohlenstoffes vorgeschlagen wird. Zwar läßt sich die
Festigkeit und die Biegefestigkeit von Kohlenstoff durch das Einbringen von Oxyd-,
Carbid-, Nitrit-Keramik-Einlagerungen gemäß der bekannten Korrelation von
Gefüge und Feldeigenschaften erhöhen, jedoch setzt dies fertigungstechnisch
aufwendige Dotierungsvorgänge voraus, die noch nicht vollständig beherrscht
werden und daher bei Formteilen zu einer inakzeptabel hohen Ausschußquote
führen. Auch im Hinblick auf die Unterdrückung von unerwünschten Reaktionen,
z. B. die Bildung von Eutektika bei überraschender Druck- und/oder
Temperaturbeanspruchung, sind derartige Werkstoffe aus mehreren Phasen
unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, insbesondere im Hinblick auf
das Material der Lauffläche des Zylinders, unzweckmäßig. Die unterschiedlichen
Härten der zum Einsatz gelangenden Phasen sowie die Beanspruchung durch
Biegemomente führen ferner zu einer Reliefbildung der aktiven Oberfläche des
Kolbens, insbesondere dann, wenn die Lauffläche des Zylinders nicht die selbe ist
wie die Arbeitsfläche des Kolbens. Bei Verbrennungsmotoren ist die
Beaufschlagungsfläche des bekannten Kolbens in separater Weise zu vergüten,
wodurch die Kosten der Herstellung unvorteilhaft erhöht werden. Schließlich ist
die Qualitätsprüfung der bekannten Kolben nur zerstörend möglich, d. h. selbst bei
kleinsten Fehlern in sonst nicht beanspruchungsintensiven Zonen des Kolbens
wird der gesamte Kolben zerstört.
DE-OS 34 06 479 zeigt einen mehrteiligen Kolben, dessen
Bestandteile aus faserverstärktem Kohlenstoff bestehen. Der bekannte Kolben
weist einen ersten Kolbenteil auf, der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet
ist und der sich über die gesamte Kolbenlänge erstreckt und umfangsmäßig eine
einzige Gleitfläche definiert. Das zweite Kolbenteil ist ein Steckteil, das in das
erste Kolbenteil eingefügt wird, wobei die beiden Kolbenteile zur Bildung eines
Formschlusses ausgebildet sind und durch eine konzentrische Kolbenbolzen
bohrung, durch die ein Kolbenbolzen einsteckbar ist, gegenseitig gehalten
werden. Wegen der großen Gleitfläche sind die Kräfte für den Kolben hoch und
die Verschleißanfälligkeit des bekannten Kolbens bedeutend.
Bei den in der Praxis eingesetzten Kolben-Zylinder-Anordnungen mit
einer Graphitkomponente, insbesondere Elektrographit, bei denen auf
Schmierstoffe verzichtet wird, wird die sogenannte Selbstschmierung im
wesentlichen damit "erkauft", daß der Graphit aufgrund seiner sogenannten
intrinsischen Schmierungseigenschaften schnell verschleißt. Dies wird durch
ungeeignete Kolbenführungsflächen und Oberflächenbehandlungen, z. B. wenn
der Graphit durch Verbrennungsrückstände überzogen wird, die aufgrund des
Verschleißes immer wieder aufbrechen, noch verstärkt. Besonders ungünstig sind
z. B. Zylinder aus Materialien, in denen Kohlenstoff unterstöchiometrisch gelöst ist,
also auch für die im Kraftfahrzeugbau typischerweise verwendeten Zylinder aus
Stahl.
Ein weiterer Nachteil des Einsatzes konventioneller Graphitsorten
besteht darin, daß die Bereitstellung des Graphits aufwendig ist. So müssen die
Rohlinge für längere Zeitdauer auf Temperaturen von ca. 2000°C gehalten
werden. Die Endbearbeitung erfordert eine spanabhebende Bearbeitung quasi
aller Flächen, mit der Folge hoher Materialverluste durch den Abtrag sowie der
beschränkten Anzahl zur Verfügung stehender Gestalten, die mit dem Material
Graphit spanabhebend technisch und wirtschaftlich gefertigt werden können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Kolben-Zylinder-Anordnung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die kostengünstig in der
Fertigung ist und die einen leichtgängigen und fluiddichten Kolbenhub ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß wenigstens zwei den Kolben
radial begrenzende, zylindrisch und umlaufende Gleitabschnitte zur Abstützung
gegen die Führungsfläche des Zylinders im gegenseitigen axialen Abstand
zueinander vorgesehen sind, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte einen
kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen, und daß die wenigstens zwei
Gleitabschnitte lösbar durch zwei Teile des Kolbens, von denen wenigstens eines
einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte durchsetzt, auf dem Kolben axial
fixiert sind. Vorzugsweise erfolgt ferner zugleich eine radiale Fixierung.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung schafft einen
Kolben, der sich mit seinen Gleitabschnitten, die vorzugsweise als geschlossene
Ringe ausgebildet sind, gegen die Führungsfläche des Zylinders abstützt. Die
beiden Ringbereiche sind im Abstand zueinander angeordnet, wobei der Abstand
zwischen den Ringbereichen vorzugsweise wenigstens die Hälfte der axialen
Erstreckung des schmaleren der beiden Ringabschnitte ausmacht und vorteil
hafterweise das doppelte des in axialer Erstreckung größeren der beiden Ringe
ausmacht. Die beiden ringförmigen Gleitabschnitte verhindern ein Verkanten des
Kolbens in der Führungsfläche des Zylinders, wodurch die Leichtläufigkeit der
Kolben-Zylinder-Anordnung verbessert und die Geräuschentwicklung beim Laufen
herabgedämpft wird. Zugleich erfolgt eine günstige Abdichtung des Zylinders
gegen den Kolben.
Die beiden Gleitabschnitte können wahlweise einstückig miteinander
verbunden sein, indem der Abstand zwischen den Gleitabschnitten durch einen
Einstich in der Umfangswand des Rings oder einer Einschnürung bei Urformen
der Formgebung vorgesehen wird.
Es ist alternativ möglich, daß die Gleitabschnitte an jeweils zwei
verschiedenen Ringen vorgesehen sind, die den selben Außendurchmesser
aufweisen und die durch ein separates oder in der axialen Fortsetzung wenigstens
des einen Ringes angeordnetes Abstandsstück in einem vorbestimmten Abstand
gegenseitig gehalten sind. Es ist möglich, die Ringe auch geschlitzt oder auch
mehrteilig, z. B. aus zwei oder drei Ringsegmenten, die im Zusammenbau den
Ring bilden, auszubilden, wobei die Kolbenteile auch diese Ringteile durch axiales
Einspannen fixieren, so daß der Einbau in einen Zylinder ohne Probleme
ermöglicht ist.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Material der die
Gleitabschnitte definierenden Ringe um ein Material hoher Biegefestigkeit,
beispielsweise von mehr als 95 N/mm2 und insbesondere von mehr als 120
N/mm2, am besten sogar von mehr als 140 N/mm2, die ferner in hoher Ober
flächengenauigkeit, beispielsweise durch Außenrundschleifen, auf das zugehörige
Zylindermaß gefertigt worden sind. Es versteht sich, daß das Abstandsstück
kostengünstigerweise bei weitem nicht mit der selben Maßhaltigkeit und
Oberflächengüte gefertigt werden muß, weshalb vorteilhafterweise ein von den
Ringen verschiedenes Stück mit einem geringerem Außendurchmesser
vorgesehen ist. Dieses Abstandsstück kann für eine modulare Kolbenfertigung
stets aus dem selben Material hergestellt sein, während die die Gleitabschnitte
aufweisenden Ringe aus einem in Anpassung an die Führungsfläche des
Zylinders bzw. dessen Material ausgewählten Werkstoff vorgesehen werden.
Hierdurch ist der Kolben wesentlich vielseitiger einsetzbar als ein einstückig
hergestellter Kolben.
Die beiden die Gleitabschnitte aufweisenden Ringe und das
Abstandsstück weisen vorzugsweise denselben Innendurchmesser auf, so daß
sie aufeinander gesteckt auf einen Schaft mit dem entsprechenden
Außendurchmesser axial verschieblich montierbar sind. Vorzugsweise liegen die
die Gleitabschnitte aufweisenden Ringe im wesentlichen im Bereich der axialen
Enden des Kolbens, wodurch eine gute Führung des Kolbens im Zylinder erreicht
wird.
Der Ringdurchbruch der Gleitabschnitte wird von wenigstens einem
Kolbenteil in wenigstens einem Bereich der axialen Erstreckung durchsetzt, wobei
dieses Kolbenteil ferner einen Aufnahmeraum für einen Kolbenbolzen aufweist
sowie einen Schwenkraum für ein um den Kolbenbolzen angelenktes Pleuel. Das
zweite Kolbenteil, das mit dem ersten Kolbenteil verbindbar ist, stellt eine
stirnseitige Begrenzung des Kolbens dar. Vorzugsweise ist die Verbindung lösbar,
beispielsweise in der Art eines Bajonettverschlusses oder einer Verschraubung.
Hierdurch ist die Kolben-Zylinder-Anordnung besonders reparaturfreundlich
indem das Auswechseln von Gleitabschnitten ermöglicht ist. Für die Serien
fertigung werden die Kolbenteile vorzugsweise durch Stecken oder mittels Preß
passung verbunden, so daß schnelle Fertigungszeiten erzielt werden.
Eine besonders leistungsfähige Kolben-Zylinder-Anordnung wird
dadurch erzielt, daß das eine Material der Paarung Gleitabschnitt-Führungsfläche
aus der Gruppe, umfassend polykristalliner Diamant, amorpher Kohlenwasser
stoff, tetragonal koordinierter Kohlenstoff und metallhaltiger Kohlenwasserstoff,
ausgewählt ist, und daß das andere Material der Paarung aus mesophasigem
Graphit oder aus Ultrafeinkorn Graphit ausgebildet ist. Ultrafeinkorngraphit wird
beispielsweise von der Firma POCO im Markst geliefert. Diese Paarung ist von
äußerst günstiger tribologischer Leistungsfähigkeit, und ermöglicht einen
trockenen, als schmiermittelzugabefreien, Betrieb der Kolben-Zylinder-Anordnung,
der spätestens nach einer Einlaufzeit im Zylinder auch - bei entsprechendem
tribologischem Belastungskollektiv - keinerlei Verschleiß des Graphits zeigt. Die
Lebensdauer dieser Anordnung ist somit quasi unendlich, so daß sich ihr Einsatz
an später nicht mehr ohne weiteres zugänglichen Orten, z. B. infolge radioaktiver,
chemischer oder bakterieller Kontamination, anbietet. Aufgrund der für die
Verarbeitung der Materialien zur Verfügung stehenden Verfahren ist es
zweckmäßig, die Gleitabschnitte aus mesophasigem Graphit zu formen,
vorzugsweise in einem near-net-shape Urformschritt. An diesen Urformschritt
schließt sich zweckmäßigerweise ein Schleifschritt an, dem aber vorteil
hafterweise nur die Gleitabschnitte unterzogen werden müssen, während die
anderen Kolbenpartien, die nicht in Eingriff mit der Kolbenführungsfläche des
Zylinders gelangen, bereits fertiggestellt sind. Es ist möglich, diesen Schleifschritt
auch in dem Zylinder auszuführen und somit die Härte des Materials der Kolben
führungsfläche neben der Abdichtung auch noch zur Oberflächenbearbeitung zu
nutzen.
Die Biegebruchfestigkeit des mesophasigen Graphits übersteigt 120
N/mm2 und ermöglicht vorteilhaft die Schaffung eines einphasigen Materials. Das
Problem des Ausbrechens von Verstärkungsfasern, das im Stand der Technik vor
allem bei kurzen Fasern problematisch ist, stellt dann für die Fertigung der
Formteile keine konstruktive Restriktion mehr dar.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
anliegenden Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der Zylinder und
Kolben auseinandergezogen dargestellt sind.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kolben aus Fig. 1 aus Richtung
des Pfeils II.
Fig. 3 zeigt den Kolben aus Fig. 1 in explodierter Längsschnitt
darstellung.
Fig. 4 zeigt eine Längsschnittdarstellung der Kolben-Zylinder-An
ordnung aus Fig. 1 in zusammengebautem Zustand mit Kolbenbolzen und
Pleuel.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Kolben-Zylinder-An
ordnung aus Fig. 4 in entlang der axial versetzten Linie V-V.
In Fig. 1 sind die Bestandteile einer Kolben-Zylinder-Anordnung 1 im
Längsschnitt dargestellt, wobei der Kolben 2 aus dem Inneren des Zylinders 3 zur
besseren Illustration getrennt ist. Die Kolben-Zylinder-Anordnung findet in einem
Verdichter Verwendung.
Der Zylinder 3 ist ein Hohlzylinder z. B. aus Metall oder einer
Keramik, dessen innere Bohrung 4 teilweise oder bevorzugt vollständig eine
Kolbenführungsfläche 5 für die axiale Verlagerung des Kolbens 2 bildet. Die
Kolbenführungsfläche bzw. der entsprechende Abschnitt des inneren Umfangs
der Bohrung 4 des Zylinders wird mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Es
versteht sich, daß der Abschnitt, der als Führungsfläche 5 ausgebildet ist, im
wesentlichen durch den Kolbenhub axial begrenzt ist.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Bohrung 4 des
Zylinders 3, wie weiter unten noch ausgeführt, mit einer harten Schicht 6
beschichtet, die die Führungsfläche 5 bildet. Diese Schicht ist wenige Zehntel
Millimeter oder gar Mikrometer dick und ist daher nur als Linie angedeutet.
Insbesondere harte Materialien kommen als aufgebrachte Schicht 6 in Betracht
also Carbide, Oxyde, Nitride sowie Diamantbeschichtungen sowie Verbindungen
aus den vorstehend genannten Gruppen. Es ist vorteilhaft möglich, die Schicht
aus demselben Material auszuwählen wie das Material des Zylinders 3 und das
Härten der Schicht durch Infiltrieren von Fremdatomen, durch Bestrahlung, durch
CVD- oder PVD-Verfahren, chemische oder elektrochemische Abscheidung oder
durch andere geeignete Verfahren oder Mittel vorzusehen. Hierfür kann es
zweckmäßig sein, die Bohrung 4 im Zylinder 3 zunächst sehr genau auf Maß
vorzufertigen, beispielsweise durch Läppen oder Hohnen, und anschließend
weiterzubearbeiten. Zweckmäßigerweise wird jedoch insbesondere im Falle
keramischer Werkstoffe der Rohling für den Zylinder 3 nahe an der Endform
gefertigt und unter Abdeckung der nicht zu beschichtenden oder vergütenden
Bereiche zur Bildung der Schicht 6 in einem an die Herstellung anschließenden
Verfahrensschritt zu Ende gefertigt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, daß unter
Einhaltung höchster Toleranzen, insbesondere hinsichtlich der Bohrung 4, kleine
und mittlere Serien von Zylindern 3 hergestellt werden. Das vorstehend skizzierte
Verfahren ermöglicht es aber ferner, die Gattung der Schicht 6 in dem separaten
Verfahrensschritt auf die spezielle Verwendung, insbesondere auf ein zu
förderndes Fluid und dessen chemische Eigenschaften und Reaktivität,
abzustimmen, ohne daß hierdurch nennenswerte kostenmäßige Nachteile
entstehen. Auch ist eine flexible Anpassung der Materialpaarung an den Kolben 2
gegeben.
Der Kolben 2 ist eine mehrteilig aufgebaute modulare Einheit, die
insbesondere in Fig. 3 gut zu erkennen ist. Der Kolben 2 umfaßt ein Stirnteil 7 und
ein Anschlußteil 8 aus Titan, die respektive den Kolbenboden 7a bzw. die
Pleuelseite definieren. Es ist alternativ möglich, anstelle von Titan auch andere
geeignete Werkstoffe, insbesondere Aluminium, Stahl oder auch insbesondere
Graphit auszuwählen. Ferner umfaßt der Kolben 2 einen proximalen
geschlossenen Ring 9 und einen distalen, geschlossenen Ring 10, deren
geschlossener zylindrischer Umfang jeweils einen Gleitabschnitt 9a bzw. 10a des
Kolbens definiert. Zwischen den beiden Ringen 9 und 10 ist ein ebenfalls
ringförmiges Abstandshaltestück 11 mit hohlem zylindrischen Aufbau vorgesehen,
dessen proximale und distale Stirnseiten an den proximalen Ring 10 bzw. an den
distalen Ring 9 stoßen und dessen Zylinderdurchmesser geringer ist, als der der
beiden Ringe 9, 10. Auch das Stirnteil 7 bzw. das Anschlußteil 8 weisen
gegenüber den Ringen 9, 10 kleinere Außendurchmesser auf. Somit definieren
der distale Gleitabschnitt 9a bzw. der proximale Gleitabschnitt 10a des distalen
Rings 9 bzw. des proximalen Rings 10 die sich gegen die Führungsfläche 5 des
Zylinders 3 abstützende Mantelfläche des Kolbens 2, wie auch in Fig. 4 besser zu
sehen.
Das Stirnteil 7 weist in seinem Kolbenboden 7a zwei (in Fig. 2 gut
dargestellte) Sacklochbohrungen 12 auf, die für den Eingriff eines nicht
dargestellten Spannwerkzeugs bestimmt sind. Es ist aber möglich, die
Sacklochbohrungen 12 durch andere, für den Eingriff von Spannwerkzeugen
geeignete Aussparungen oder Profile zu ersetzen oder ggf. sogar ganz
wegzulassen. Auf der dem Kolbenboden 7a angewandten Seite weist das Stirnteil
7 einen hierzu koaxialen angeflanschten Hohlzylinderabschnitt 7b mit ringförmigen
Querschnitt auf, dessen Umfangsmantel außenseitig mit einem Außengewinde 7c
versehen ist. Die Innenseite des angeflanschten Hohlzylinders ist innenseitig
proximal mit einer Phase von 45° ausgebildet. Zweckmäßigerweise sind die
Sacklochbohrungen 12 in der Verlängerung der einstückig ausgebildeten
Flanschpartie 7b angeordnet, um Drehmomente bei Verschraubungen günstig
übertragen zu können. Nahe dem Umfang weist das Stirnteil 7 auf der dem
Kolbenboden 7a abgewandten Seite der Scheibe eine zur Scheibe konzentrische
Ringnut 13 auf, die zur Aufnahme eines nicht dargestellten Dichtrings geeignet ist.
Das als Kolbendeckel funktionierende Stirnteil 7 ist ein einstückiges Teil aus Titan.
Es ist alternativ möglich, das Stirnteil 7 aus Aluminium oder aus Keramiken zu
gestalten, wobei metallische Werkstoffe den Vorzug haben, daß sie eine hohe
Zugfestigkeit aufweisen und darüber hinaus die Verzahnung mit bekannten Mitteln
leicht herstellbar ist.
Aus vorteilhafterweise demselben Material wie das Stirnteil 7 ist das
Anschlußteil 8 hergestellt. Das Anschlußteil 8 definiert einen Kolbengrundkörper,
das ein auf das Außengewinde 7c des Stirnteils 7 angepaßtes Innengewinde 8c
aufweist. Die Gewinde 7c und 8c sind derart geschnitten, daß außerhalb des
Gewindepaars 7c, 8c keine Berührungen zwischen den Teilen 7, 8 bestehen, so
daß die Gewindepaarung einen formschlüssigen und vorzugsweise auch
kraftschlüssigen Verbindungsübergang schafft. In der axialen Verlängerung des
Flanschteils 7b bzw. in der axialen Verlängerung des Anschlußstücks 8 werden
somit ein axialer Ringspalt 14 bzw. ein Spalt 15 definiert, wobei die axiale
Erstreckung des Spalts 15 im wesentlichen dieselbe ist wie die des Spalts 14 (vgl.
Fig. 1). Es ist auch möglich, nur einen der beiden Spalte 14, 15 vorzusehen und
im übrigen eine Berührung der beiden Teile 8, 9 vorzusehen oder aber sogar
beide Spalte 14 und 15 zu eliminieren. Gerade bei metallischen Werkstoffen ist es
jedoch vorteilhaft, wenn die Spalte 14,15 als Ausweichraum für Ausdehnungen
des Materials infolge thermischer Ausdehnung oder dergleichen sowie als Spiel
für Toleranzen der anderen Teile des Kolbens 3, wie weiter unten noch erläutert
werden wird, die zwischen Stirnteil und Anschlußteil 8 eingespannt werden.
Das Anschlußteil 8 weist eine zylindrische Grundform auf, deren
proximales Ende umfangsmäßig in der Art eines Kragens 16 über den Umfang
des Zylinders hinausragt. Die nach vorne weisende Ringfläche 16a des Kragens
16 dient als Anschlag für die proximale Randfläche 10c des proximalen Rings 10,
wenn dieser die zylindrische Umfangswand 8d des Anschlußteils 8 übergreift.
Das Anschlußteil 8 ist hohlzylindrisch aufgebaut, wobei die zentrale
mit dem gesamten Teil koaxiale Bohrung 8d in der Mitte von zwei Fortsatzstücken
17a, 17b durchsetzt wird, wobei die einander zugekehrten Oberflächen 18a, 18b
der Fortsatzstücke 17a, 17b zueinander im wesentlichen parallel verlaufen. Die
Fortsatzstücke 17a, 17b werden von einer quer zur Hauptachse des Anschlußteils
8 verlaufenden Zylinderbohrung derart durchsetzt, daß die Oberflächen 18a, 18b
der Fortsatzstücke 17a, 17b im wesentlichen mittig normal zu deren Oberflächen
18a, 18b durchstoßen sind. Die aus den Fortsatzstücken 17a, 17b und dem
Anschlußteil 8 herausgeschnittene Bohrung 19, deren Achse 19a strichpunktiert
dargestellt ist, bildet eine Aufnahme für einen zylindrischen Kolbenbolzen 20, der
in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist.
Beiderseits der Bohrung 19 sind umlaufende Einstiche 21a-21d
jeweils paarweise in der Schaftverlängerung 8a des Anschlußteils 8 vorgesehen.
Die Einstiche 21a bis 21d dienen zur Aufnahme von Dichtungen, vorzugsweise
aus einem Elastomerwerkstoff, die aufgrund ihrer Vorspannung eine bessere
Zentrierung der auf den Schaft 8a sitzenden Ringteile zulassen. Es ist aber auch
möglich, die Einstiche 21a bis 21d ganz oder teilweise fortzulassen. Hierdurch
wird die Fertigung des Anschlußteils 8 vereinfacht. Wenn alternativ geschlitzte
oder mehrteilige Ringe vorgesehen werden, sorgt diese Vorspannung für eine
gleichmäßige Anlage an den Zylinder 3. In diesem Fall sind die die Schlitze be
grenzenden Ringwandungen möglichst lang und unter Ausbildung entsprechender
labyrinthartiger Abwinkelungen ausgebildet, um die Abdichtung des Kolbenraums
nicht zu beeinträchtigen. Die Vorspannung der Dichtung bewirkt ein
kontinuierliches Nachstellen der Ringbestandteile.
Zur Herstellung des Kolbens wird das Stirnteil 7 mit dem Anschlußteil
8 verschraubt und der proximale Ring 10, das Abstandsstück 11 und der distale
Ring 9 in der genannten Reihenfolge über den Schaftabschnitt 8a übergeworfen.
Durch die Verschraubung mittels der Gewinde 7c, 8c werden die genannten Teile
7 bis 11 axial verspannt, wobei der Schaftabschnitt 8a des Anschlußteils 8 mit den
Innenbohrungen 10b, 11b, 9b der Ringe 10, 11, 9 im wesentlichen spielfrei in
Verbindung steht, so daß die fünf Bestandteile des Kolbens 3 koaxial
ausgefluchtet sind mit Bezug auf die Kolbenachse 3a.
Die äußere Umfangswand 11a des Abstandstücks 11 springt
gegenüber den Mantelumfangsflächen der Ringe 9, 10, die als distaler
Gleitabschnitt 9a und als proximaler Gleitabschnitt 10a ausgebildet sind, etwas
zurück, so daß es bei der Berührung mit der Führungsfläche 5 des Zylinders 3
selbst bei thermisch induzierter Ausdehnung nicht zur Berührung kommt. Dadurch
wird zum einen die wirksame Fläche der Gleitabschnitte zwecks Reduzierung von
Reibung gering gehalten, zum anderen jedoch aufgrund der beabstandeten
Ausbildung der beiden Gleitabschnitte 9a, 10a eine erhöhte Kippstabilität und
Führungsgenauigkeit herbeigeführt. Vorzugsweise ist die axiale Erstreckung des
Abstandsstücks 11 etwa doppelt so groß wie die des größeren der beiden Ringe
9, 10.
Es ist alternativ zu der dreiteiligen Konstruktion mit Ring 9 und 10
sowie mit Abstandsstück 11 möglich, diese drei Teile einstückig auszubilden
wobei entweder das Material des einstückigen Teils das Ringmaterial bzw. das
Material der Gleitabschnitte ist, oder aber indem im Bereich der Gleitabschnitte
auf das einstückige Teil entsprechende Beschichtungen vorgenommen werden.
Der besondere Vorteil der separaten Ausgestaltung des Abstandstück 11 ist ein
doppelter: Zum einen kann durch die geeignete Materialauswahl des Abstands
stückes 11 in Anpassung an die thermische Ausdehnung und die Dimensionen
der Ringe 9, 10 einerseits und von Stirnteil 7, Anschlußteil 8, andererseits ein
besonders vorteilhaftes Korrektiv bei thermischer Beanspruchung geschaffen
sein, das es ermöglicht, thermisch induzierte Spannungen herabzusetzen. Zum
anderen faßt das Abstandsstück 11 - wie in Fig. 5 besonders gut auf der linken
Seite zu sehen - den Kolbenbolzen 20 an maximal zwei genau Punkten ein
wodurch der Kolbenbolzen 20 nicht nur in seinem Umfang durch die Bohrung 19,
sondern auch in seiner axialen Erstreckung innerhalb der Begrenzung durch das
Abstandsstück 11 schwimmend eingefaßt ist. Der Kolbenbolzen 20 besteht
beispielsweise aus Stahl und ist vorteilhafterweise hohlgebohrt. Ein an den
Kolbenbolzen 20 angelenktes Pleuel 22 wird vermittels einer zeichnerisch nicht
näher dargestellten Nadellager bzw. -büchse 23, Gleitlager oder Kugellager fixiert
und dementsprechend ist der Hubweg des Kolbens 3 im Zylinder 2 äußerst
präzise. Das Pleuel 22 ist in den Fig. 4 und 5 schematisch dargestellt.
Der Zusammenbau des Kolbens 2 mit angelenktem Pleuel 22 erfolgt
nun dadurch, daß zunächst der Kolbenbolzen 20 durch die Bohrung 19 in das
Anschlußteil 8 eingesteckt wird, durch dessen Bohrung 8d ein Pleuelende 22 mit
dem Pleuelauge eingeführt worden ist. Der Kolbenbolzen 20, der durch das
Pleuelauge hindurch reicht, ist vorzugsweise auf Maß oder sogar als
Preßpassung ausgebildet, so daß je nach Ausgestaltung der Kolbenbolzen 20 mit
dem Pleuelende 22 und/oder mit dem Anschlußstück 8 drehfest verbunden ist.
Über das Schaftstück 8a des Anschlußstücks 8 mit angelenktem Pleuel 22
werden sodann zunächst der proximale Ring 10, dann das Abstandsstück 11 und
schließlich der distale Ring 9 übergeworfen, wobei das Abstandsstück 11 die
Bohrung 19 mit eingeführtem Kolbenbolzen 20 vollständig verschließt.
Anschließend wird das Stirnteil 7 in der Art eines Deckels auf das Anschlußteil 8
aufgeschraubt, wobei die Fixierung bzw. die Kraftübertragung auf das
Anschlußteil 8 in Drehrichtung z. B. mit Hilfe des Pleuels erfolgen kann und die
Fixierung bzw. Kraftübertragung auf das Stirnteil 7 mit einem nicht dargestellten
Spannwerkzeug mittels der Sacklochbohrungen 12. Der fertige Kolben 2 kann
dann in den Zylinder 3 zur Bildung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylin
der-Anordnung 1 eingeführt werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anord
nung 1 besteht darin, daß der modular aufgebaute Kolben 2 auf einfachste
Weise an die Medien, die mit der Kolben-Zylinder-Anordnung 1 gefördert werden
sollen bzw. an das Material der Führungsflächen 5 des Zylinders 3 angepaßt
werden kann. Hierzu ist es lediglich notwendig - anders als bei bekannten Kol
ben - den distalen Ring 9 und den proximalen Ring 10 aus einem anderen Material
auszuwählen, während die übrigen Teile des Kolbens 3 standardgemäß
aufgebaute Bauteile sind. Hierdurch können die Serienlängen vergrößert und die
Herstellungskosten vorteilhaft herabgesetzt werden. Die Montage ist äußerst
einfach und wartungsgerecht.
Wie in Fig. 1 und 3 zu sehen, ist der distale Ring 9 des Kolbens 2 an
seiner distalen Fläche umfangsmäßig mit einem Vorsprung 9c ausgebildet, der die
Umfangsfläche der Scheibe des Stirnteils 7 seitlich vollständig umgibt, wodurch
der Schadraum der Kolben-Zylinder-Anordnung 1 nicht unnötig vergrößert wird.
Es ist alternativ möglich, die Scheibe des Stirnteils 7 etwas größer im
Durchmesser auszubilden, wobei diese jedoch nicht größer oder gleich dem
Durchmesser des Rings 9 sein darf. Ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Aufbaus des Kolbens 2 besteht darin, daß der Kolbenboden
im wesentlichen durch die Materialauswahl des Stirnteils 7 beeinflußt wird, so daß
ggf. oxidationsanfällige Werkstoffe für den Ring lediglich entlang einer kleinen
Fläche behandelt bzw. beschichtet werden müssen. Hierdurch eignet sich der
erfindungsgemäße Kolben 2 auch insbesondere für Verbrennungsmaschinen.
Ganz besonders hervorragende Ergebnisse konnten mit der
erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung 1 erzielt werden, wenn die Ringe
9,10 aus mesophasigem Kohlenstoff im Wege des Urformens hergestellt wurden.
Der mesophasige Graphit besteht aus einem bindemittelfreiem Kohlenstoff, einer
sogenannten Mesophase. Der dem mesophasigen Graphit zugrundeliegende
Rohstoff ist vorzugsweise aus Kohle- und Erdölrückständen in Pechen gewinnbar
die beispielsweise als Zwischenprodukt der Flüssigphasepyrolyse von Kohlen
wasserstoffen verbleiben. Er besteht im wesentlichen aus Polyaromaten. Die
Polyaromate können durch Carbonisieren und Graphitisieren zu Mesophasen
sphärolithen geformt werden, die die Körner einer Phase des Werkstoffes
darstellen (Körnung zwischen 0,1 und 10 µm). Diese Mesophasensphärolithe sind
bindemittelfrei und sind daher in ihren Feldeigenschaften, insbesondere in ihrer
Biegedruckfestigkeit, gängigen Graphitsorten wie Preß- oder Elektrographit weit
überlegen. Insbesondere sind Biegedruckfestigkeiten von über 150 MPa (N/mm2)
erzielbar. Hierdurch ist es auch in besonders vorteilhafter Weise möglich, auch die
sonst oft zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit erforderlichen
Verstärkungen durch Kohlenstoffasern oder durch eine andere Matrix zu
verzichten.
Die Herstellung der Ringe 9, 10 kann vorteilhaft - ausgehend von
Sphärolithen - im Wege der Spritzguß-Fertigung als sogenannte near-net-shape
Bauteile erfolgen, wobei nach einem Formgebungs-Schritt, der auch komplizierte
Geometrien zuläßt, ein Sinterschritt folgt. Das derart gefertigte Bauteil, hier ein
Ring, besteht aus einem isotropen Werkstoff. Es versteht sich, daß für die
Formgebung entsprechende Gegenformen, insbesondere Büchsen und/oder
Dorne, eingesetzt werden. Anschließend kann eine spanabhebende Nach
bearbeitung zur Erzielung bevorzugter Oberflächeneigenschaften oder
vorbestimmter Maßhaltigkeiten durchgeführt werden, beispielsweise durch
Schleifen, Hohnen, Läppen. Aufgrund der günstigen Festigkeitseigenschaften der
Rinde ist eine anschließende Vergütung der Oberfläche in der Regel nicht
erforderlich. Je nach Auswahl des Sinterschritts lassen sich offene oder
geschlossene Porösitäten zwischen 0,05 und 30% realisieren.
Die Führungsfläche 6 im Zylinder 3 besteht aus eine Beschichtung
aus polykristallinem Diamant (PKD). Alternativ ist es möglich, diamantähnliche
Kohlenstoffbeschichtungen (DLC - Diamond like Carbon) vorzusehen
beispielsweise metallhaltiger Kohlenwasserstoff (Me : CH) (wobei als metallische
Dotierung z. B. Titan, Wolfram, Bor bzw. deren besonders harte Carbidphase in
Betracht kommen, die zugleich eine günstige Affinität zum Kohlenstoff aufweist),
amorpher Kohlenwasserstoff (a : CH) oder tetragonal koordinierter Kohlenstoff
(a : C). Zusammen mit dem Gleitabschnitt 9a/10a ergibt sich eine besonders
vorteilhafte Werkstoffpaarung. Diese Werkstoffpaarungen hat sich insbesondere
deswegen als zweckmäßig erwiesen, weil sie einerseits kostengünstig herstellbar
sind und andererseits im Betrieb selbstschmierend, d. h. ohne Hinzufügen eines
Schmierstoffes bei hohen Standzeiten funktionstüchtig sind. Die Kolben-Zylin
der-Anordnung 1 ist somit vorteilhaft als Trockenläufer geeignet. Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Anordnung 1 liegt darin, daß auf
Kolbenringe, die aufgrund ihrer geschlitzten Ausbildung stets schwer zu montieren
sind, verzichtet werden kann.
Wird für die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung eine der
vorstehenden Werkstoffpaarungen ausgewählt, wird überraschenderweise ein
unverhofft günstiges, quasi verschleißfreies Laufen des Kolbens auf dem Zylinder
ermöglicht, wodurch ein hervorragendes tribologisches Verhalten ohne Verlust
von Mesographitmolekülen oder -körnern erreicht wird. Als besonders günstig hat
sich eine Porosität der bevorzugten Mesophasengraphit-Ringe zwischen 1 und 10
Gew.-% erwiesen.
Die sogenannten intrinsischen Reibungseigenschaften konven
tioneller Kohle- oder Graphitmaterialien dagegen, die eine Reibung durch ein
Scheren oder Umkippen der Gitterebenen, insbesondere induziert durch
Leerstellen und Fehlstellen sowie Einlagerungsatome, auslösen, führen durch
Wanderungen von Defekten ein- und zweidimensionaler Natur zur Stufenbildung
oder zu Schraubenversetzungen, wodurch die Oberfläche des Materials bei
mechanischer Beanspruchung zu abrasivem Verschleiß neigt. Hierdurch ist im
Stand der Technik z. B. auch nicht zweckmäßig, vollständig geschlossene Ringe
mit den Gleitabschnitten zur Abdichtung des Kolbenraums vorzusehen, vielmehr
sind stets geschlitzte Kolbenringe erforderlich, die den Materialabtrag durch
Nachstellen ausgleichen. Dies induziert eine zusätzliche "pressende" Reibung, die
einen erhöhten Energieaufwand bedeutet. Dies gilt insbesondere im
Lastwechselbetrieb.
Es ist möglich, die Ringe aus dem Mesographit im Anschluß an den
Urformschritt z. B. mit einer diamantbesetzten Schleifscheibe zu schleifen.
Zweckmäßigerweise wird dieser Schleifschritt jedoch dadurch bewirkt, daß die
Ringe im Zylinder 3 gegen die Diamantbeschichtung hin und her verlagert werden
wodurch im Anschluß an eine Einlaufphase kein mechanischer Abtrag mehr
erfolgt und eine besonders dichte Kolben-Zylinder-Einheit geschaffen wird. Eine
weitere vorteilhafte Variante besteht darin, daß die Gegenformen der Ringe
ebenfalls diamantbeschichtet sind.
Vorstehend ist die Herstellung von besonders bevorzugten Ringen
aus einem einphasigen Material beschrieben worden. Es versteht sich, daß die
vorstehend genannten Materialien, insbesondere die Graphitkörper, ferner
Verstärkungen oder Einlagerungen aus anderen Zusammensetzungen umfassen
können, z. B. Aramidfasern oder dergl., ohne ihre genannten, insbesondere die
tribologischen, Eigenschaften herabzusetzen.
Es versteht sich auch, daß auch ein einstückiges Teil, daß die
beiden Ringe 9, 10 und ein Abstandsstück 11 umfaßt, auf die beschriebene Weise
hergestellt werden kann. Es versteht sich ferner, daß auch auf dieselbe
beschriebene Weise nur die distale bzw. die proximale Gleitabschnitte auf einen
Substratring, beispielsweise aus Keramik oder einem anderen Material,
aufgebracht werden können, beispielsweise auf einen durchgehenden Ring der
Stärke des Abstandsstücks 11. Es versteht sich auch, daß die für die Auswahl der
geeigneten Werkstoff-Kombination verbliebenen Freiheiten für die Optimierung in
Bezug auf den beabsichtigten Einsatz (Medium) zur Verfügung stehen.
Schließlich ist dem Fachmann auch ohne weiteres verständlich, daß
bei einem erfindungsgemäßen Kolben die proximalen Bestandteile 8, 10 und die
distalen Bauteile 7, 9 jeweils paarweise als einstückige Bauteile ausgebildet sein
können, und dann vorzugsweise in der vorstehend beschriebenen near-net-shape
Technologie in einem Stück aus mesophasigem Graphit urgeformt sind. Auch
diese beiden Bauteile (Kolbenhälften) können wieder als einstückiger
Kolbenkorpus ausgebildet sein, wodurch selbstredend die Sicherung für den
Kolbenbolzen durch ein nachträglich aufgebrachtes Ringteil, das vorzugsweise
auf den Kolbenkorpus aufgebracht ist. Dieses mag geschlitzt sein, hat aber
anders als ein Kolbenring keinerlei Dichtfunktion, da es nicht in Anlage mit der
Zylinderwand gelangt.
Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung findet vorteilhaft
Verwendung als Hubkolbenmaschine, Verdichter, Verbrennungsmotor oder dergl.
Claims (18)
1. Kolben-Zylinder-Anordnung, umfassend einen Kolben (2), an dem ein Pleuel
(22) anlenkbar ist, und einen Zylinder (3), entlang dessen als Kolben
führungsfläche (6) ausgebildeter innerer Bohrung (5) ein Gleitabschnitt eines
Kolbens (2) axial verlagerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur Abstützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3) im gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander vorgesehen sind,
daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen, und
daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) axial fixiert sind.
daß wenigstens zwei den Kolben (2) radial begrenzende, zylindrische und umlaufende Gleitabschnitte (9a, 10a) zur Abstützung gegen die Führungsfläche (6) des Zylinders (3) im gegenseitigen axialen Abstand (11) zueinander vorgesehen sind,
daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) einen kreiszylindrischen Querschnitt aufweisen, und
daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar durch zwei Teile (7, 8) des Kolbens (2), von denen wenigstens eines einen zentralen Durchbruch der Gleitabschnitte (9a, 10a) durchsetzt, auf dem Kolben (2) axial fixiert sind.
2. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleitabschnitte (9a, 10a) an demselben hohlzylindrischen Teil
vorgesehen sind.
3. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gleitabschnitte (9a, 10a) die Umfangsfläche von wenigstens zwei
verschiedenen Ringen (9, 10) umfaßt.
4. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen den Gleitabschnitten durch ein hohlzylindrisches
Abstandshaltestück (11) vorgegeben ist.
5. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abstandshaltestück (11) einen Kolbenbolzen (22) im Inneren des
Kolbens (2) fixiert.
6. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Abstandshaltestück (11) und die Teile (7, 8) des Kolbens
(2) aus demselben Material bestehen.
7. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Gleitabschnitte (9a, 10a) lösbar
durch eines der zwei Teile (7, 8) auf dem Kolben (2) radial fixiert sind.
8. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Teile (7, 8) des Kolbens (2) gegenseitig
axial form- und/oder kraftschlüssig verspannbar sind.
9. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Teile (7, 8) des Kolbens (2) durch Verschraubung verspannbar
sind.
10. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) durch die radiale
Umfangsfläche wenigstens eines Hohlzylinders (9, 10) definiert sind, der
durch Sintern in seiner endgültigen Gestalt erstellt ist.
11. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet
daß die Umfangsfläche durch Schleifen oberflächenbearbeitet ist.
12. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Umfangsfläche durch axiale Verlagerung in dem Zylinder
(3) oberflächenbearbeitet ist.
13. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a, 10a) aus einem Graphit mit
einer Biegebruchfestigkeit von über 120 N/mm2 bestehen.
14. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Material der Teile (7, 8) des Kolbens (2) aus der
Gruppe umfassend Titan, austenitischer Stahl, Invarstahl, Aluminium, SiC
und Si3N4 sowie Verbindungen hieraus ausgewählt ist.
15. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gleitabschnitte (9a; 10a) des Kolbens (2) mehrteilig
sind und daß diese Teile gemeinsam wenigstens einen Ring bilden.
16. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß das eine Material der Paarung Gleitabschnitt (9a, 10a) - Führungsfläche
(6) aus der Gruppe umfassend polykristalliner Diamant, amorpher
Kohlenwasserstoff, tetragonal koordinierter Kohlenstoff und metallhaltiger
Kohlenwasserstoff ausgewählt ist, und
daß das andere Material der Paarung aus mesophasigem Graphit oder
Ultranfeinkorn Graphit ausgebildet ist.
17. Kolben-Zylinder-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet
daß die Gleitflabschnitte (9a, 10a) aus mesophasigem Graphit bestehen.
18. Kolben-Zylinder-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kolbenführungsfläche (6) des Zylinders (3) aus
einem Material aus der Gruppe umfassend SiC, Si3N4, Al2O3, kubischem BC,
BN, WC, TiC, diamantbeschichtetem, hochwarmfestem Stahl sowie
Verbindungen hieraus ausgewählt ist.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998115989 DE19815989A1 (de) | 1998-04-09 | 1998-04-09 | Kolben-Zylinder-Anordnung |
DE19980856T DE19980856D2 (de) | 1998-04-09 | 1999-04-09 | Kolben-Zylinder-Anordnung |
PCT/EP1999/002400 WO1999058839A1 (de) | 1998-04-09 | 1999-04-09 | Kolben-zylinder-anordnung |
EP99917969A EP1082534A1 (de) | 1998-04-09 | 1999-04-09 | Kolben-zylinder-anordnung |
AU36057/99A AU3605799A (en) | 1998-04-09 | 1999-04-09 | Piston-Cylinder Arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998115989 DE19815989A1 (de) | 1998-04-09 | 1998-04-09 | Kolben-Zylinder-Anordnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19815989A1 true DE19815989A1 (de) | 1999-10-21 |
Family
ID=7864150
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998115989 Withdrawn DE19815989A1 (de) | 1998-04-09 | 1998-04-09 | Kolben-Zylinder-Anordnung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19815989A1 (de) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002099319A2 (de) * | 2001-06-01 | 2002-12-12 | Sgl Carbon Ag | Gleitpaarung für von wasserdampf mit hohem druck- und temperaturniveau beaufschlagte maschinenteile, vorzugsweise für kolben-zylinder-anordnungen von dampfmotoren |
DE10307908A1 (de) * | 2003-02-19 | 2004-09-09 | Andreas Mozzi | Mehrteiliger Kolben |
EP1484534A1 (de) * | 2003-06-06 | 2004-12-08 | Nissan Motor Company, Limited | Axe de piston |
WO2006060987A1 (de) * | 2004-12-08 | 2006-06-15 | Mahle International Gmbh | Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor |
US7273655B2 (en) | 1999-04-09 | 2007-09-25 | Shojiro Miyake | Slidably movable member and method of producing same |
US7771821B2 (en) | 2003-08-21 | 2010-08-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Low-friction sliding member and low-friction sliding mechanism using same |
US8096205B2 (en) | 2003-07-31 | 2012-01-17 | Nissan Motor Co., Ltd. | Gear |
US8152377B2 (en) | 2002-11-06 | 2012-04-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Low-friction sliding mechanism |
US8171842B2 (en) | 2007-06-20 | 2012-05-08 | Mahle International Gmbh | Two-piece twist lock piston |
FR2995027A1 (fr) * | 2012-09-06 | 2014-03-07 | Jean Jacques Crouzier | Moteur a combustion interne ameliore |
DE102013014068A1 (de) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Gleitkontakt für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen |
WO2018144197A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | Fisher Controls International Llc | Hard coated supply biased spool valves |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1467255A (en) * | 1922-04-17 | 1923-09-04 | Thomson John | Engine piston |
US2792265A (en) * | 1956-06-27 | 1957-05-14 | Gardner Denver Co | Piston construction |
DE2912786B1 (de) * | 1979-03-30 | 1980-05-14 | Audi Nsu Auto Union Ag | Kolben fuer Brennkraftmaschinen sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens |
DE3001921A1 (de) * | 1980-01-19 | 1981-07-23 | Audi Nsu Auto Union Ag, 7107 Neckarsulm | Kolben fuer brennkraftmaschinen sowie verfahren zur herstellung des kolbens |
DE3406479A1 (de) * | 1984-02-23 | 1985-08-29 | Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen | Kolben fuer brennkraftmaschinen und verfahren zur herstellung des kolbens |
EP0258330B1 (de) * | 1986-02-25 | 1992-08-05 | GREINER, Peter | Kolbenmotor |
DE4122090C2 (de) * | 1991-07-04 | 1993-05-06 | Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De |
-
1998
- 1998-04-09 DE DE1998115989 patent/DE19815989A1/de not_active Withdrawn
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1467255A (en) * | 1922-04-17 | 1923-09-04 | Thomson John | Engine piston |
US2792265A (en) * | 1956-06-27 | 1957-05-14 | Gardner Denver Co | Piston construction |
DE2912786B1 (de) * | 1979-03-30 | 1980-05-14 | Audi Nsu Auto Union Ag | Kolben fuer Brennkraftmaschinen sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens |
DE3001921A1 (de) * | 1980-01-19 | 1981-07-23 | Audi Nsu Auto Union Ag, 7107 Neckarsulm | Kolben fuer brennkraftmaschinen sowie verfahren zur herstellung des kolbens |
DE3406479A1 (de) * | 1984-02-23 | 1985-08-29 | Sigri Elektrographit Gmbh, 8901 Meitingen | Kolben fuer brennkraftmaschinen und verfahren zur herstellung des kolbens |
EP0258330B1 (de) * | 1986-02-25 | 1992-08-05 | GREINER, Peter | Kolbenmotor |
DE4122090C2 (de) * | 1991-07-04 | 1993-05-06 | Daimler-Benz Aktiengesellschaft, 7000 Stuttgart, De |
Cited By (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7273655B2 (en) | 1999-04-09 | 2007-09-25 | Shojiro Miyake | Slidably movable member and method of producing same |
WO2002099319A3 (de) * | 2001-06-01 | 2003-02-20 | Sgl Carbon Ag | Gleitpaarung für von wasserdampf mit hohem druck- und temperaturniveau beaufschlagte maschinenteile, vorzugsweise für kolben-zylinder-anordnungen von dampfmotoren |
DE10128055C2 (de) * | 2001-06-01 | 2003-09-25 | Sgl Carbon Ag | Gleitpaarung für von Wasserdampf mit hohem Druck-und Temperaturniveau beaufschlagte Maschinenteile, vorzugsweise für Kolben-Zylinder-Anordnungen von Dampfmotoren |
US6941854B2 (en) | 2001-06-01 | 2005-09-13 | Sgl Carbon Ag | Sliding pairing for machine parts that are subjected to the action of highly pressurized and high-temperature steam, preferably for piston-cylinder assemblies of steam engines |
WO2002099319A2 (de) * | 2001-06-01 | 2002-12-12 | Sgl Carbon Ag | Gleitpaarung für von wasserdampf mit hohem druck- und temperaturniveau beaufschlagte maschinenteile, vorzugsweise für kolben-zylinder-anordnungen von dampfmotoren |
US8152377B2 (en) | 2002-11-06 | 2012-04-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Low-friction sliding mechanism |
DE10307908A1 (de) * | 2003-02-19 | 2004-09-09 | Andreas Mozzi | Mehrteiliger Kolben |
DE10307908B4 (de) * | 2003-02-19 | 2005-03-03 | Andreas Mozzi | Mehrteiliger Kolben |
EP1484534A1 (de) * | 2003-06-06 | 2004-12-08 | Nissan Motor Company, Limited | Axe de piston |
CN100352968C (zh) * | 2003-06-06 | 2007-12-05 | 日产自动车株式会社 | 发动机活塞销滑动结构 |
US8096205B2 (en) | 2003-07-31 | 2012-01-17 | Nissan Motor Co., Ltd. | Gear |
US7771821B2 (en) | 2003-08-21 | 2010-08-10 | Nissan Motor Co., Ltd. | Low-friction sliding member and low-friction sliding mechanism using same |
US7946216B2 (en) | 2004-12-08 | 2011-05-24 | Mahle International Gmbh | Two-part piston for an internal combustion engine |
WO2006060987A1 (de) * | 2004-12-08 | 2006-06-15 | Mahle International Gmbh | Zweiteiliger kolben für einen verbrennungsmotor |
US8171842B2 (en) | 2007-06-20 | 2012-05-08 | Mahle International Gmbh | Two-piece twist lock piston |
US8800144B2 (en) | 2007-06-20 | 2014-08-12 | Mahle International Gmbh | Method of assembling a two-piece twist lock piston |
FR2995027A1 (fr) * | 2012-09-06 | 2014-03-07 | Jean Jacques Crouzier | Moteur a combustion interne ameliore |
DE102013014068A1 (de) * | 2013-08-22 | 2015-02-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Gleitkontakt für Hoch- und Ultrahochvakuumanwendungen |
WO2018144197A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | Fisher Controls International Llc | Hard coated supply biased spool valves |
CN108457922A (zh) * | 2017-01-31 | 2018-08-28 | 费希尔控制产品国际有限公司 | 硬涂层供应偏置滑阀 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE68920207T2 (de) | Kontinuierlich arbeitende Heisstauch-Plattierungsvorrichtung. | |
EP0378967B1 (de) | Hubkolbenkompressor | |
EP0638147A1 (de) | Verfahren zum herstellen eines bauteils mit wenigstens einer geteilten lauffläche für wälzkörper. | |
DE19815989A1 (de) | Kolben-Zylinder-Anordnung | |
EP2815139B1 (de) | Radiallager | |
DE69116301T2 (de) | Getriebe mit hypocykloidatem Antrieb | |
DE102009030689A1 (de) | Mehrschneidiges Bohrwerkzeug | |
EP1948472B1 (de) | Beschlag für einen fahrzeugsitz | |
EP0759519A2 (de) | Kolbenring für Verbrennungsmotoren | |
WO2020160983A1 (de) | Honwerkzeug und feinbearbeitungsverfahren unter verwendung des honwerkzeugs | |
EP1337737B2 (de) | Gleitpaarung für von wasserdampf mit hohem druck- und temperaturniveau beaufschlagte maschinenteile, vorzugsweise für kolben-zylinder-anordnungen von dampfmotoren | |
EP0953113B1 (de) | Hubkolbenkompressor | |
EP3365573B1 (de) | Gleitlagerbuchse mit integrierter dichtlippe | |
EP0258330B1 (de) | Kolbenmotor | |
DE19815988C1 (de) | Kolben-Zylinder-Anordnung | |
DE102009033528A1 (de) | Kombinationswerkzeug | |
EP1082534A1 (de) | Kolben-zylinder-anordnung | |
DE69111316T2 (de) | Kolben. | |
DE102014209062A1 (de) | Radialgleitlager | |
DE3506475A1 (de) | Verfahren zur herstellung von rotoren fuer schraubenverdichter | |
DE102017116480A1 (de) | Kolbenring mit kugelgestrahlter Einlaufschicht und Verfahren zur Herstellung | |
EP0991884B1 (de) | Vorrichtung zur abdichtung einer kurbelwelle an ihrer austrittstelle aus dem motorgehäuse eines verbrennungsmotors mit einer gleitringdichtung | |
EP1099845A2 (de) | Kolben mit einer Verbindung von einem Kühlkanal zu einer Kolbenbolzenbohrung | |
DE202007017339U1 (de) | Kolbenmaschine | |
DE112005002568T5 (de) | Sinterlegierungen für Nockenbuckel und andere Gegenstände mit hohem Verschleiß |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8143 | Withdrawn due to claiming internal priority |