DE2458444C2

DE2458444C2 - Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2458444C2
Application number: DE2458444A
Authority: DE
Inventors: Harry E. Hope Ind. Harker
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1973-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1986-09-11
Also published as: IT1026886B; DE2458444A1; AU7613174A; JPS5430051B2; JPS5089745A; BR7410293D0; SE7415367L; IN143917B; US3906923A; NL7416029A; CA1014027A; NL173088C; FR2253924B1; FR2253924A1; SE412102B; ES432315A1; AU475665B2; GB1450304A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Brennkraftmaschinen trelen infolge einer seitlichen Verschiebung des ⁷KoIbCnS Vibrationen auf; die seitliche Verschiebung rührt von einer während des Betriebs auftretenden seitlichen Belastung des Kolbens her. Die Vibrationen führen zu:

a) Abnutzung der Kolben- und Zylinderteile, was ein Auswechseln dieser Teile erforderlich macht sowie eine Ausfallzeit durch Wartung und Service hervorruft,

b) Verlust an Maschinenleistung; und
c) Erzeugung eines Geräuschpegels während des Betriebs.

Zur Vermeidung dieser Probleme wurden verschiedene abnutzungsbeständige Beschichtungen auf dem Kolben und/oder der inneren Oberfläche des Zylinders angebracht Auch wurden der Kolben und der Zylinder sorgfältig hergestellt, um genauer zusammenzupassen, oder es wurden Einsätze, Bänder oder Verschleißkissen verschiedener Formen und Größen auf dem Kolbenschaft angeordnet Aus folgenden Gründen hat sich keine dieser Maßnahmen als wirksam erwiesen.

1. Die Beschichtungen verminderten den Geräuschpegel nicht, waren teuer sowie schwierig anzubringen und besaßen zu geringe Hafteigenschaften bei den auftretenden hohen Temperaturen und Drükken;

Z das sorgfältige Herstellen der Maschinenteile war teuer und berücksichtigte nicht die Toleranzen, die erforderlich waren, um die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungen der Teile auszugleichen; und

3. die Einsätze, Bänder oder Verschleißkissen waren schwierig anzubringen sowie auszuwechseln und erforderten nach ihrer Anbringung eine spezielle Bearbeitung.

Aus der FR-PS 6 08 400 ist ein Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Bei dem bekannten Kolben hat die Nut, in der senkrechten Schnittebene gesehen, einen rechteckigen Querschnitt und der Einsatz in ein Profilstück mit elastischen Ansätzen an den beiden Enden. Diese Ansätze ruhen auf der Grundfläche der Nut, so daß der Boden des Einsatzes von der Grundfläche der Nut einen gewissen Abstand besitzt. Der Einsatz hat eine komplizierte Struktur, damit er elastisch ist. Die Tiefe der Nut ist relativ groß, damit der eine beträchtliche Gesamttiefe aufweisende Einsatz von der Nut aufgenommen werden kann. Aufgrund der entsprechend großen Nuttiefe muß der Kolben mit der Nut zusammen gegossen werden. Ein nachträgliches Einarbeiten der Nut in eine/i in üblicher Weise hergestellten Kolben ist aufgrund der großen Nuttiefe nicht möglich.

Aufgrund dieser speziellen Konstruktion ist die Gesamtanordnung teuer, weil sowohl die Herstellung des Kolbens als auch die Herstellung des Einsatzes aufwendig sind. Wegen des profilförmigen Aufbaus des Einsatzes steht zu befürchten, daß dieser bei hohen Drücken und Temperaturen unerwünschten Verformungen ausgesetzt ist. Wenn der Einsatz in die Nut eingesetzt wird, so kann aufgrund der rechteckigen Querschnittsform der Nut und des Einsatzes nur dann das Festhalten des Einsatzes in der Nut gewährleistet sein, wenn sich der

so Einsatz mit Preßsitz in der Nut befindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der bekannten Art und den zugehörigen Einsatz so auszubilden, daß der Einsatz unter Erfüllung seiner Aufgabe, nämlich der Verringerung des Verschleißes der Zylinderlaufbuchse und der Dämpfung von Schwingungen — bei guter thermischer Belastbarkeit und sicherer Halterung am Kolbenschaft im Betriebszustand — als Verschleißteil leicht auswechselbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben kann der Einsatz in den Kolbenschaft ohne Werkzeuge eingeschoben und wieder aus diesem entfernt werden, wobei der Kolben und der Zylinder nicht vollständig auseinandergenommen werdeii müssen.

Der Einsatz paßt sich außerdem an die Form der Zylinderwand an und er behält auch diese Anpassung, wenn er den beim Betrieb der Maschine auftretenden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird. Er weist eine einfache geometrische Form auf und paßt in die Nut, die mittels einer üblichen Bearbeitung an der Außenseite des Kolbenschafts ausgebildet ist Die Nut nimmt den vorgeformten Einsatz auf und hält ihn relativ fest, wenn der Kolben und der Zylinder zusammengesetzt sind. Der Einsatz stört nicht den Einbau anderer Teile. Er kann außerdem mit einem solchen Profil hergestellt werden, daß er bei Kolben von unterschiedlicher Größe und Form Verwendung finden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Kolben- und Einsatzanordnung,

F i g. 2 eine Teilschnittansicht der Kolben- und Einsatzanordnung nach Fig. 1 und einer Zylinderlaufbuchse als Teil einer Brennkraftmaschine, wobei der Schnitt längs der Zylinderlaufbuchse und senkrecht zum Kolbenbolzen verläuft,

F i g. 3 eine Seitenansicht der Anordnung nach F i g. 1, aus der die Form der Nuten erkennbar ist,

F i g. 4,5 und 6 Vorder-, Seiten- und Draufsichten auf eine Form des Einsatzes,

Fig.7 eine Seitenansicht einer zweiten Kolben- und EinsaSzanordnung,

Fig.8 eine Schnittansicht entlang der Linie 8-8 der Fig.7,

F i g. 9 eine der F i g. 8 ähnliche Ansicht einer dritten Kolben- und Einsatzanordnung,

Fig. 10 eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, einer vierten Kolben- und Einsatzanordnung,

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 der F ig. 10.

Gemäß Fig.2 enthält die Brennkraftmaschine 10 einen Maschinenblock 11, in dem mehrere Bohrungen 12 ausgebildet sind. Das innere jeder Bohrung endet in einem nicht gezeigten, innerhalb des Maschinenblocks ausgebildeten Kurbelgehäuse. In jeder Bohrung sitzt eine metallische Zylinderlaufbuchse 13. Der obere Teil 12a der Bohrung 12 weist einen größeren Durchmesser auf und bildet mit dsr Laufbuchse eine Kammer X, die mit einem flüssigen Kühlmittel C gefüllt ist. Beim Betrieb der Maschine wird das Kühlmittel in einenUmlauf durch die Kammer X gebracht. Der untere Teil 12b der Bohrung 12 besitzt einen kleineren Durchmesser, der an den Außendurchmesser der Laufbuchse angenähert ist. Dichtringe 14;/. b und csind in Nuten 15 angeordnet,die in der Außenfläche der Laufbuchse ausgebildet sind. Die Dichtringe bilden eine Dichtung für das untere Ende der Kammer X.

Innerhalb der Laufbuchse 13 ist ein Kolben 16 angeordnet. Der Kolben i^t aus einer Metallegierung hergestellt und besitzt einen Kolbenboden 17 mit einer profilierten Oberfläche 17a. Die Seitenringfläche 176 des Kolbenbodens ist mit Nuten 17c versehen, in denen metallische Kolbenringe R aufgenommen sind.

Ein Kolbenschaft 18 begrenzt die Unterseite des Bodens. Auf der Innenfläche des Kolbenschafts 18 sind Kolbenaugen 18a gegenüberliegend angeordnet. Die Kolbenaugen besitzen fluchtende Öffnungen 20. wie aus F i g. 1 und 3 zu ersehen ist. Die Enden eines Kolbenbolzens 21, der den Kolben 16 mit dem oberen Ende eines Pleuels 22 verbindet, sind von den Öffnungen 20 aufgenommen.

Neben den Öffnungen 20 für den Kolbenbolzen 21 besitzt der Kolbenschaft 18 zwei diametral gegenüberliegende Nuten 23 und 24. Die Anordnung der Nuten ist senkrecht zur Durchtrittsebene der Öffnungen 20. Die Nuten liegen vorzugsweise in den Seitendruckbereichen Tdes Kolbenschafts, d. h. an den Stellen, auf die die größten seitlichen Kräfte während des Betriebes auf den Kolben einwirken.

Jede Nut hat eine ebene Grundfläche 25, die oben und unten hinterschnittene Kanten 26 bzw. 27 aufweist. Seitlieh ist die Grundfläche 25 von gege^r. ioerliegenden offenen Seiten 28 begrenzt.

Die Höhe jeder Nut ist kleiner als die Höhe des Kolbenschafts 18. Das ist wichtig, damit die hinterschnittenen Kanten 26 und 27 ausreichend stark sind, um eine relative Vertikalbewegung eines in den Nuten aufgenommenen austauschbaren Einsatzes 30 während der Hin- und Herbewegung des Kolbens zu verhindern.

Genauso wichtig ist es. daß die Seiten 28 der Nuten offen sind und an der Außenfläche des Kolbenschafts enden. Dadurch ist die Herstellung der Nuten einfach und -mittels üblicher Bearbeitungsverfahren durchzuführen. Außerdem erlauben es die offenen Seiten 28, daß der Einsatz 30 von Hand in die Nut geschoben und aus ihr wieder entfernt werden kann.

F i g. 4 bis 6 zeigen eine Ausführungsform des Einsatzes 30, der im wesentlichen ein Zylindersegment darstellt. Die Ober- und Unterkanten 30a bzw. 306 sind abgeschrägt oder auf andere Weise so profiliert, dpß sie der Form der hinterschnittenen Kanten 26 und 27 der Nuten 23 und 24 entsprechen. Die Rückfläche 30c des Einsatzes ist eben und im wesentlichen koinzident mit der Grundfläche 25 der Nut. Die äußere Oberfläche 3Od des Einsatzes besitzt eine Krümmung, die im wesentlichen der Krümmung der äußeren Oberfläche des KoI-benschafts angepaßt ist. sich jedoch um einen kleinen Betrag (z. B. 25 bis 125 μ) von der Außenfläche des Kolbenschafts nach außen vorerstreckt.

Der Einsatz sollte aus einem Material hergestellt sein, das eine gute Anpassungsfähigkeit besitzt, wenn es den beim Betrieb auftretenden hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird. Zusätzlich sollte das Material des Einsatzes einen niedrigen Reibungskoeffizienten beiitz;.ti. Grundsätzlich haben organische Polymere die für das Material des Einsatzes gewünschten Eigenschaften.

Zusätze in diesen Polymeren führen zu Einsätzen mit besonders günstigen Eigenschaften. Schmiermittel, wie Graphit und Moiybdändisulfid oder Fasermaterialien, wie Glas innerhalb des Polymers hemmen den durch die Bewegung entlang der Zylinderbuchsenwand auftretenden Verschleiß des Einsatzes. Metallpuder, wie Oronze unterstützt die Wärmeableitung aus dem Einsatz, gibt diesem zugleich eine bessere Lagereigenschaft und verhindert, daß er herausgedrückt wird. Ein aus Polytetrafluoräthylen gefüllt mit Bronzepuder und Moiybdändisulfid hergestellter Einsatz ergab in der praktischen Verwendung einen verbesserten Maschinenbetrieb.
Das Einbringen des Einsatzes in die Nut oder sein

Entfernen aus der Nut erfordert lediglich, daß der Kolben relativ zum oberen Ende der Laufbuchse so bewegt wird, daß eine der offenen Seiten 28 der Nut außerhalb der Laufbuchse liegt: der Einsatz 30 kann dann leicht in die Nut hinein oder aus ihr herausgeschoben werden, s Nachdem der Einsatz 30 innerhalb der Nut ausgerichtet ist, kann der Kolben in seine Einbausteilung innerhalb der Laufbuchse zurückgebracht werden. Solange der Kolben und die Laufbuchse eingebaut sind, bleibt der Einsatz innerhalb der Nut verriegelt. Das Maß, mit dem to sich der Einsatz von der Außenfläche des Kolbenschafts vorerstreckt, sollte so groß sein, daß sich eine genaue Passung zwischen der Laufbuchse und der Außenfläche 30t/des Einsatzes ergibt. Dadurch paßt sich das Material des Einsatzes besser der Laufbuchsenwand an, wenn der Kolben in der Laufbuchse hin- und hergleitet.

F i g. 7 und 8 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Kolbens ! SS und eine zweite Form eines in den Kolben eingesetzten Einsatzes 130. Der Einsatz 130 unterscheidet sich von dem Einsatz 30 darin, daß die Dicke t' (siehe F i g. 8) des oberen Teiles des Einsatzes 130 nahe dem Kolbenboden 117 etwas kleiner (z. B. 25 μ) als die Dicke t² des unteren Teiles des Einsatzes ist.

Infolge des Dickenunterschiedes ist anfänglich ein leichtes Spiel zwischen der Rückseite 130c des oberen Teiles des Einsatzes 130 und der planen Grundfläche 123 der Nut 124 vorhanden. Dieses leichte Spiel dient der Kompensation der größeren thermischen Ausdehnung, die im oberen Teil des Einsatzes auftreten kann. Da der obere Teil des Einsatzes näher zum Brennraum liegt, ist er einer größeren Wärmekonzentration ausgesetzt und unterliegt daher einer größeren thermischen Ausdehnung.

Um zu verhindern, daß der Einsatz 130 falsch in der Nut 124 angeordnet wird, verlaufen die hinterschnittenen Kanten 126 und 127 der Nut 124 und die entsprechenden Ober- und Unterkanten 130a und 130ό des Einsatzes nicht parallel, wie dies in Fi g. 7 übertrieben dargestellt ist. Der Einsatz 130 kann dann nur von der linken offenen Seite 129 der Nut 124 in den Kolbenschaft 118 eingesetzt oder aus ihm entfernt werden.

F i g. 9 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Kolbens 216 und eines Einsatzes 230. Die im Seitendruckbereich des Kol^Kenschafts 218 ausgebildete Nut 244 besitzt angrenzend an die obere hinterschnittene Kante 226 eine größere Tiefe d' als neben der unteren hinterschnittenen Kante 227 (d¹). Der Tiefenunterschied kann ungefähr 25 μ betragen. Die Ebene der Grundfläche 225 liegt also nicht parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens innerhalb der Zylinderlaufbuchse. Der Einsatz 230 hat in diesem Fall keinen Dickenunterschied zwischen seinem oberen und unteren Teil, so daß der Einsatz 30 und der Einsatz 230 im wesentlichen gleich sein können.

Eine vierte Ausführungsform eines Kolbens 316 und eines Einsatzes 330 ist aus Fig. 10 und 11 ersichtlich. Die im Seitendruckbereich des Kolbenschafts 318 des Kolbens 316 ausgebildete Nut 324 besitzt statt einer ebenen eine konvexe Grundfläche 325. Die Rückseite 330c des Einsatzes 330 hat eine konkave Form, die der Konvexität der Grundfläche 325 angepaßt ist. Der Einsatz 300 kann von jeder der offenen Seiten 328 in die Nut 324 eingebracht oder aus ihr entfernt werden. Wie aus F i g. 11 ersichtlich, stimmt der Mittelpunkt der Krümmung der Grundfläche 325 der Nut nicht mit demjenigen der Krümmung der Außenwand des Kolben-Schafts 318 Oberein: auf diese Weise wird eine Relativbewegung des Einsatzes innerhalb der Nut vermieden, wenn der Einsatz einmal in die Nut gesetzt ist und Kolben und Einsatz in ihre Einbaustellung in die Zylinderlaufbuchse gebracht wurden.

Brennkraftmaschinen, bei denen Kolben und Zylinderlaufbuchsen übermäßig verschlissen sind, können mittels der Erfindung auf einfache Weise dadurch repariert werden, daß die Kolben aus dem Block entfernt und ihre Kolbenschäfte in den Seitendruckbcrcichcn mit Nuten zur Aufnahme der Einsätze versehen werden. Die Bearbeitung der Kolbenschäfte kann infolge der einfachen Form der Nuten mit herkömmlicher Ausrüstung und Technik durchgeführt werden. In die Nuten können die Einsätze ohne Spezialwerkzeuge von Hand seitlich eingeschoben und die Kolben anschließend wieder in die Zylinderlaufbuchsen eingesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben für Brennkraftmaschinen, der in einem Zylinder hin- und herbeweglich ist und einen Kolbenboden sowie einen mit diesem einstöckigen Kolbenschaft aufweist, welcher in einem äußeren Bereich einem Seitendruck ausgesetzt ist, wobei im Seitendruckbereich des Kolbenschafts wenigstens eine querverlaufende Nut mit einer von zwei gegenüberliegenden offenen Seiten und einer oberen bzw. unteren Kante begrenzten Grundfläche ausgebildet und in der Nut ein von wenigstens einer offenen Seite her in diese einschiebbarer, im Querschnitt im wesentlichen kreissegmentförmiger Einsatz angeordnet ist, von dem sich ein Teil über den Umfang des Kolbenschafts vorerstreckt und in ständiger Gleitberührung mit der Innenfläche des Zylinders steht und dessen obere und untere Randteile in ihrer Form im wesgatlichen dem Profil der oberen bzw. unteren Kante der Nut entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Kante (26, 27; 126, 127; 226, 227) der Nut (23, 24; 124; 244; 324) hinterschnitten sind und daß der in sich geschlossene Einsatz (30; 130; 230; 330) aus einem organischen Polymer besteht

2. Kolben nach Anspruch 1, bei dem der Einsatz und die Nut eine ebene Rück- bzw. Grundfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (d') der Nut (244) im Bereich ihrer oberen Kante (226) größer als die Tiefe (d²) im Bereich ihrer unteren Kante (227) ist und dc*r Einsi-ζ (230) eine gleichmäßige Dicke aufwehst, odsr daß die Tiefe der Nut (124) über ihre Höhe gleich groß · -*d die Dicke (t') des Einsatzes (130) im Bereich der oberen Kante (126) der Nut (124) kleiner als die Dicke (t^r) im Bereich der unteren Kante (127) der Nut (124) ist.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenschaft (18; 118; 218; 318) gegenüber der Nut (24; 124; 244; 324) eine ähnliche weitere Nut zur Aufnahme eines weiteren Einsatzes angeordnet ist.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (325) der Nut (324) konvex ist und der Einsatz (330) eine der konvexen Form dieser Grundfläche entsprechende konkave Rückseite (330c,} und eine konvexe äußere Oberfläche aufweist, deren Krümmungsradius kleiner als der Krümmungsradius der Rückseite {330c) des Einsatzes (330) ist.

5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer einen Schmierstoff- und/oder Metallfüller enthält.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer mit Molybdändisulfid und Bronze gefülltes Polytetrafluorethylen ist.