DE2510192C2

DE2510192C2 - Kolben für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2510192C2
Application number: DE2510192A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. 8901 Königsbrunn Lindner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1975-03-08
Filing date: 1975-03-08
Publication date: 1982-12-30
Also published as: IT1057299B; GB1505772A; BR7507415A; SE7601762L; DE2510192A1; FR2303954B1; DK89876A; DK142508C; NL7602130A; CH614018A5; DK142508B; FR2303954A1; ES445810A1; US4044731A; JPS51113021A; DD123373A1; JPS5930902B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenboden und einem Kolbenunterteil, die mittels im Kolbeninnern angeordneter Spannschrauben miteinander verbunden dnd, wobei die Räume zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenunterteil mit einer korrosiv wirkenden Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt sind, und außerdem Mittel vorgesehen sind, um die Kühlflüssigkeit von den Spannschrauben fernzuhalten.

Bei Kolben der vorstehend genannten Art, wie beispielsweise aus der DE-AS 12 53 514 und der DE-AS 21 51 869 bekannt, sind jeweils als Mittel zur Fernhaltung der Kühlflüssigkeit von den Spannschrauben Dichtungsringe vorgesehen, die das Vordringen von Kühlmittel aus den Kühlräumen des Kolbens zu den Spannschrauben verhindern sollen. Derartige, die miteinander verbundenen Kolbenteile gegeneinander abdichtende Dichtungsringe sind jedoch nur bedingt geeignet, das Vordringen von Kühlmittel zu den Spannschrauben zu verhindern. Diese Dichtungsringe können beispielsweise keinen Kapillarfluß der Kühlflüssigkeit und damit ein Vordringen derselben zu den Spannschrauben verhindern, so daß sich mit zunehmender Standzeit des Kolbens immer mehr Leckflüssigkeit an den Spannschrauben ansammelt Es ist daher ersichtlich, daß das Vorsehen von Dichtungsringen als solches also lein nicht genügt, um das Vordringen von Kühlflüssigkeit zu den Spannschrauben zu verhindern.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen aus mehreren Teilen zusammengebauten, mit korrosiv wirkender Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, gekühlten, mess chanisch und thermisch hoch belastbaren Kolben zu schaffen, der Mittel aufweist, die sicherstellen, daß die Kühlflüssigkeit nicht zu den Spannschrauben vordringen kann.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Fernhaltung der Kühlflüssigkeit jede Spannschraube von einer im Kolbenboden festgelegten, zur Unterseite des Kolbenunterteils offenen, flüssigkeitsdichten, hülsenförmigen Ummantelung umschlossen ist, deren kolbenbodenseitiges Ende ein Gewinde zum Einschrauben der Spannschraube aufweist.

Durch Anwendung dieser Maßnahmen läßt sich der Zutritt eines korrosiven Kühlmittels zu den Spannschrauben verhindern. Die Spannschrauben können

25 10 Ϊ92

daher aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt werden, der große mechanische Beanspruchungen aufnehmen kann, dagegen gegen Korrosion weniger beständig ist Die Angriffspunkte der Spannschrauben können weiterhin sehr nah an die dem Brennraum zugewandte Seite des Kolbenbodens verlegt werden, ohne daß sich Probleme mit der thermischen Widerstandsfähigkeit von Dichtungen ergeben.

Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung besteht die Ummantelung aus einer im Kolbenboden festgelegten, das Innengewinde zum Einschrauben der Spannschraube aufweisenden Gewindehülse sowie einer daran anschließenden Mantelbuchse, wobei zwischen den beiden Teilen eine Dichtung angeordnet ist Diese Ausgestaltung bietet die Möglichkeit, die Teile der Ummantelung aus verschiedenen, den jeweiligen Beanspruchungen angepaßten Werkstoffen herstellen zu können.

Vorteilhaft ist die Gewindehülse in den Kolbenboden eingeschraubt Zweckmäßig ist weiterhin die Gewindehülse mit einer elastischen Dichtlippe versehen, die das Gewinde zur Aufnahme der Gewindehülse abdichtet Hierdurch ergibt sich sowohl ein einfacher Aufbau als auch eine einfache Montage der Teile.

Vorzugsweise ist die Gewindehülse aus einem Werkstoff mit einem kleineren Elastizitätsmodul als der Werkstoff des Kolbenbodens hergestellt Dies bringt den Vorteil, daß die Gewindehülse unter Vorspannung nicht nur entlang der ersten Gänge ihres Gewindes, sondern auf dessen ganzer Länge trägt, so daß die Belastbarkeit der Verbindung wesentlich gesteigert werden kann.

Anzustreben ist weiterhin, daß die Gewindehülse aus einem metallischen Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als der Werkstoff des Kolbenbodens hergestellt ist. Hierdurch kann eine Dämmung des Wärmezutritts zur Schraube erreicht werden. Dies vermindert eine Längung der Schraube durch Erwärmung, durch die deren Vorspannung gesenkt und die feste Verbindung zwischen dem Kolbenboden und dem Koibenunterteil gelöst wird.

Vorteilhaft ist die Gewindehülse aus Titanlegierungen hergestellt Titanlegierungen erfüllen sowohl die Forderung nach einem kleinen Elastizitätsmodul als auch nach einer geringen Wärmeleitfähigkeit. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das eine Ende der Mantelbuchse in das freie Ende der Gewindehülse eingesteckt, dabei ist die Dichtung im Überlappungsbereich zwischen diesen beiden Teilen angeordnet Vorteilhaft weist weiterhin die Mantelbuchse einen Flansch auf, über den sich der Kopf der Spannschraube gegen den Kolbentragteil abstützt Diese Ausgestaltungen bringen zum einen eine Erleichterung der Fertigung des Innengewindes in der Gewindehülse und stellen zum anderen sicher, daß die Ummantelung von in ihrer Längsrichtung wirkenden Kräften weitgehend freigehalten ist, da die Zugkräfte lediglich über den die beiden Gewinde aufweisenden Teil der Gewindehülse übertragen werden, während die Durckkräfte, die vom Kopf der Spannschraube ausgeübt werden, über den Flansch auf das Kolbenunterteil weitergeleitet werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung erstreckt sich die Ummantelung di>rch einen die Kühlflüssigkeitsräume durchsetzenden, mit dem Kolbenunterteil verbundenen Steg, dabei ist an der Stoßfläche zwischen dem Steg und dem Kolbenboden eine weitere, die Ummantelung ringförmig umgebende Dichtung vorgesehen. Hierdurch wird ftine zusätzliche Sicherung gegen den Zutritt von Kühlflüssigkeit zur Spannschraube erzielt

Vorzugsweise ist zwischen der Dichtung der Ummantelung und der Dichtung des Steges ein mit einem Ablauf versehener Sammelraum vorgesehen, so daß etwa durch die erste Dichtung durchtretende Kühlflüssigkeit keinen die zweite Dichtung belastenden Druck aufbauen kann und unverzüglich abgeführt wird.
Zweckmäßig umschließt der Sammelraum einen Abschnitt der Ummantelung ringförmig.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt einen Teilschnitt durch einen Kolben.

Der dargestellte Kolben umfaßt einen Kolbenboden 1 und einen Kolbenunterteil, der aus einem Zwischenstück 2 und einem Kolbentragteil 3 besteht Bei Kreuzkopfmotoren kann das Kolbentragteil das obere Ende der Kolbenstange bilden, wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fall ist Bei Tauchkolbenmotoren weist das Kolbentragteil die Lagerung für den Kolbenbolzen auf. Am Kolbenboden 1 ist ein oberer Kolbenhemdteil 4 angeformt, der Kolbenringe 5 aufnimmt Der Kolben umfaßt weiterhin einen mittleren Kolbenhemdteil 6, der in nicht näher dargestellter Weise mit dem Zwischenstück 2 verbunden ist, und einen unteren Kolbenhemdteil 7, der in ebenfalls bekannter, nicht näher dargestellter Weise air Kolbentragteil 3 angeschraubt ist
Der Kolbentragteil 3 weist eine in Längsrichtung der Kolbenachse A-A verlaufende Bohrung 8 auf, in die ein Rohr 9 kleineren Durchmessers eingesetzt ist Durch das Rohr 9 wird Kühlwasser den Räumen 10,11 unter dem Kolbenboden 1 zugeführt, die durch öffnungen 33 verbunden sind. Der ringförmige Raum zwischen dem Rohr 9 und der Bohrung 8 dient zur Ableitung dieses Kühlwassers. Die Räume 10, 11 sind an ihrer Unterseite durch das Zwischenstück 2 und das Kolbentragteil 3 abgeschlossen. Um einen unerwünschten Austritt des Kühlwassers zu vermeiden, sind an Stoßfugen zwischen dem oberen Kolbenhemdteil 4 des Kolbenbodens 1 und dem Zwischenstück 2 einerseits sowie dem Zwischenstück 2 und dem Kolbentragteil 3 andererseits Dichtungen 12,13 vorgesehen.
An der Unterseite des Kolbenbodens 1, der vorzugsweise als Schmiedestück hergestellt ist, ist ein ringförmiger Ansatz 14 angeformt, der in seiner Höhe so kurz bemessen ist, daß er sich beim Schmieden leicht herstellen läßt Der Kolbenboden 1 stützt sich mit diesem Ansatz 14 auf einen ringförmigen Steg 15 des Zwischen-

Stücks 2 ab, in dem die Öffnungen 33 vorgesehen sind. In dem Steg 15 sind mehrere parallel zur Kolbenlängsachse A-A verlaufende Bohrungen 16 vorgesehen. Die Längsachse jeder Bohrung 16 fluchtet mit der Längsachse je einer weiteren Bohrung 17 im Kolbentragteil 3. In dem Ansatz 14 sind runde, mit einem Innengewinde 18 versehene Aussparungen 19 vorgesehen, deren Längsachsen ebenfalls mit den Längsachsen der Bohrungen 16 fluchten.
In das Innengewinde 18 ist eine mit einem entsprechenden Außengewinde versehene Gewindehülse 2u eingeschraubt, deren dem Kolbenboden 1 zugewandtes Ende geschlossen ist, während das gegenüberliegende offene Ende innen eine Eindrehung 21 aufweist Die Gewindehülse 20 ist aus einer Titanlegierung hergestellt, also einem Material, das im Vergleich mit dem Schmiedeeisen, aus dem der Kolbenboden 1 besteht, sowohl einen kleineren Elastizitätsmodul als auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist Zweckmäßig ist die

Gewindehülse 20 nur so weit eingeschraubt, daß zum Kolbenboden 1 hin ein den Wärmezutritt dämmender Luftspalt verbleibt

In die Eindrehung 21 der Gewindehülse 20 ist das mit einer äußeren Eindrehung 22 versehene Ende einer Mantelbuchse 23 eingesteckt Ein fest gegen den Ansatz

14 verspannter elastischer Bund (Dichtlippe 34) dichtet das Gewinde 18 ab. Im Bereich der beiden Eindrehungen 21, 22 ist zwischen der Gewindehülse 20 und der Mantelbuchse 23 eine Dichtung 24 vorgesehen, die axiale Bewegungen der beiden Teile gegeneinander zuläßt Das untere Ende der Mantelbuchse 23, die die Bohrungen 16,17 durchsetzt, trägt einen Flansch 25. Durch die Mantelbuchse 23 ist eine Spannschraube 26 geführt, deren oberes Ende in ein Innengewinde 27 der Gewindehüise 20 eingeschraubt ist Auf das untere Ende der Spannschraube 26 ist eine Mutter aufgesetzt, die über den Flansch 25 den Kolbentragteil 3 und das Zwischenstück 2 mit dem Steg 15 gegen den Ansatz 14 des Kolbenbodens 1 verspannen kann. Die Gewindehülse 20 und die Mantelbuchse 23 bilden zusammen eine flüssigkeitsdichte Ummantelung für die Spannschraube 26 gegen das Kühlmedium.

Zwischen dem Ansatz 14 und dem ringförmigen Steg

15 ist eine in einer Nut des Steges angeordnete weitere Dichtung 29 vorgesehen, die die Gewindehülse 20 ringförmig umgibt Die Dichtung 29 ist dabei so weit vom Kolbenboden 1 entfernt angeordnet, daß sie keinen Temperaturen ausgesetzt wird, die zu einer thermischen Beschädigung führen können. Zwischen der Ummantelung 20, 23 und der Dichtung 29 ist weiterhin in dem Steg 15 ein ringförmiger Sammelraum 30 vorgesehen, in den etwaiges durch die Dichtung 29 dringendes Leck-Kühlwasser eintreten kann. Das untere Ende des Sammelraumes 30 weist einen Abfluß 31 auf, aus dem etwaige Leck-Kühlwassermengen nach unten abtropfen können, ohne daß sie in Berührung mit der Spannschraube 26 kommen. Da der Außendurchmesser der Spannschraube 26 kleiner als der Innendurchmesser der Gewindehülse 20 bzw. der Mantelbuchse 23 ausgebildet ist, ergibt sich zwischen diesen Teilen ein weiterer ringförmiger Hohlraum, der mit einer Entlastungsbohrung 32 versehen ist, so daß die Feuchtigkeit der über das Gewinde der Mutter 28 eindringenden Luft durch dauernde Ventilation am Niederschlagen gehindert wird.

Steigt bei einem derart ausgebildeten Kolben nach Inbetriebnahme die Temperatur am Kolbenboden 1 an, so sucht sich dieser konvex nach oben durchzubiegen. Eine derartige Bewegung wird im Bereich des Ansatzes 14 und des Steges 15 durch die Spannschrauben 26 verhindert, die unter Vorspannung angezogen sind. Durch die verhältnismäßig geringe Wärmeleitfähigkeit der Gewindehülse 20 wird dabei sichergestellt, daß die Spannschraube 26 verhältnismäßig kühl bleibt Diese Schraube wird sich daher thermisch kaum längen, so daß ihre Vorspannung weitgehend erhalten bleibt Der im Vergleich zum Kolbenboden kleinere Elastizitätsmodul der Gewindehülse 20 stellt dabei weiterhin sicher, daß die Gewinde 18 und 27 über die ganze Länge weitgehend gleichmäßig tragen. Infolge der Dichtung 24 im Bereich der beiden Eindrehungen 21, 22 ist trotz fester Einspannung der Mantelbuchse 23 sichergestellt, daß thermisch bedingte Längungen der Gewindehülse 20 und des Steges 15 die Wirkung dieser Dichtung nicht beeinträchtigen. Da an der Dichtung 24 infolge der vorgeschalteten Dichtung 29 und des Sammelraumes ohnehin kein Kühlwasser unter Druck anstehen kann, ist der Zutritt des Kühlwassers zur Spannschraube 26 wirkungsvoll verhindert Etwaige Beschädigungen der Dichtungen 29 bei Montage wirken sich damit nicht in einer korrosiven Zerstörung der Spannschrauben 26 aus, weil die Dichtung 24 den Zutritt etwaiger Leck-Kühhvassermengen zur Spannschraube 26 in jedem Fall verhindern kann. Diese Ausführung schließt eine Zerstörung der Schraubenverbindung und damit des Kolbens auch dann aus, wenn anstelle des üblichen Kühlwassers mit Korrosionsschutz schlecht gepflegtes Kühlwasser oder eine andere korrosiv wirkende Kühlflüssigkeit Verwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

j-fr

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenboden und einem Kolbenunterteil, die mittels im Kolbeninnern angeordneter Spannschrauben miteinander verbunden sind, wobei die Räume zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenunterteil mit einer korrosiv wirkenden Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt sind, und außerdem Mttel vorgesehen sind, um die Kühlflüssigkeit von den Spannschrauben fernzuhalten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fernhaltung der Kühlflüssigkeit jede Spannschraube (26) von einer im Kolbenboden (1) festgelegten, zur Unterseite des Kolbenunterteils (2, 3) offenen, flüssigkeitsdichten, hülsenförmigen Ummantelung (20,23) umschlossen ist, deren kolbenbodenseitiges Ende ein Gewinde (27) zum Einschrauben der Spannschraube (26) aufweist

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung aus einer im Kolbenboden (1) festgelegten, das Innengewinde (27) zum Einschrauben der Spannschraube (26) aufweisenden Gewindehülse (20) sowie einer daran anschließenden Mantelbuchse (23) besteht, zwischen denen eine Dichtung (24) angeordnet ist

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (20) in den Kolbenboden (I) eingeschraubt ist

4. Kolben nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (20) mit einer elastischen Dichtlippe (34) versehen ist, die das Gewinde (18) zur Aufnahme der Gewindehülse abdichtet

5. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (20) aus einem Werkstoff mit einem kleineren Elastizitätsmodul als der Werkstoff des Kolbenbodens (2) hergestellt; ist

6. Kolben nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (20) aus einem metallischen Werkstoff mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als der des Werkstoffs des Kolbenbodens (1) hergestellt ist.

7. Kolben nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindehülse (20) aus einer Titanlegierung hergestellt ist.

8. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Mantelbuchse (23) in das freie Ende der Gewindehülse (20) eingesteckt ist und die Dichtung (24) im Überlappungsbereich zwischen diesen beiden Teilen angeordnet ist.

9. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelbuchse (23) einen Flansch (25) aufweist, über den sich die Mutter (28) der Spannschraube (26) gegen den Kolbentragteil abstützt.

10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ummantelung (20,23) durch einen die Kühlflüssigkeitsräume (10, 11) durchsetzenden, mit dem Kolbenunterteil (2,3) verbundenen Steg (15) erstreckt, daß ferner an der Stoßfläche zwischen dem Steg (15) und dem Kolbenboden (1) eine weitere, die Ummantelung ringförmig umgebende Dichtung (29) vorgesehen ist, wobei der mit öffnungen (33) zum Kühlwasserdurchtritt versehene, ringförmige Steg (15) an einem Zwischenstück (2) des Kolbenunterteiles (2,

3), das zusammen mit dem Kolbenboden (1) die Kühlwasserräume (10, 11) abschließt, vorgesehen ist und sich an der Stirnseite eines mit den Gewinden (18) zur Aufnahme der Gewindehülsen (20) versehenen kurzen ringfömigen Ansatzes (14) an der Unterseite des Kolbenbodens (1) abstützt

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Dichtung (24) der Ummantelung (20,23) und der Dichtung (29) des Steges (15) ein mit einem Ablauf (31) versehener Sammelraum (30) vorgesehen ist

12. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (30) einen Abschnitt der Ummantelung (20,23) ringförmig umschließt

13. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Ummantelung (20, 23) größer als der Außendurchmesser der Spannschraube (26) bemessen ist und die Ummantelung eine Entlastungsbohrung (32) aufweist