DE3228982C2

DE3228982C2 - Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3228982C2
Application number: DE3228982A
Authority: DE
Inventors: John G. Collyear; David A. Rugby Warwickshire Parker
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1981-08-11
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1990-07-12
Also published as: DE3273833D1; EP0072228A2; SE8204569L; DK361182A; AU8701282A; GB2104188B; EP0072228B2; EP0072228B1; ES8403204A1; SE453421B; SE8204569D0; LU84311A1; EP0072228A3; CA1199238A; GB2104188A; DE3228982A1; IN156727B; FR2511432A1; BR8204624A; DK155344C

Abstract

Ein Kolben für einen Verbrennungsmotor oder Motor weist eine Kolbenwand auf, die zwei Abschnitte umfaßt, die gegen einen zugeordneten Zylinder während der verschiedenartigen Takte des Arbeitszyklus angedrückt werden. Jeder Abschnitt ist mit einer Lagerfläche oder mit Lagerflächen für den Gleiteingriff mit dem zugeordneten Zylinder während der Hin- und Herbewegung versehen. Der Kolben ist mit Ausbildungen versehen, welche Schmiermittel zu den Lagerflächen hin und über diese hinweg leiten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem aus der CH-PS 2 29 25:5 bekannten Kolben dieser Gattung sind über die gesamte Lange und den gesamten Umfang des Kolbenschaftes in diesen Reihen von Vertiefungen mittels eines zylindrischen, um eine zur Kolbenlängsachsc quer verlaufende Drehachse rotierenden Schleifwerkzeugs eingeschliffen. Diese Vertiefungen bilden die Bereiche verringerten Durchmessers. Sie haben in Draufsicht elliptische Gestalt und bilden im Längsschnitt eine flache, gewölbte KuIc. Zwischen diesen Vertiefungen verbleibt ein zusammenhängendes Oberflächennetz mit dem normalen Durchmesser des Kolbenschafts. Dieses Oberflächennetz bildet die die seitlichen Druckkräfte auf den Zylinder übertragcndcn Druckbereiche. Zweck dieser Kolbenausbildung ist os, eine Schmierölschichl veränderlicher Dicke zu erzeugen. Wegen der großflächigen, zusammenhängenden Druckbereichc tritt bei dem bekannten Kolben aber eine verhältnismäßig große Reibung zwischen dem Kolben und dem Zylinder auf, die sich leistungsmindcrnd und verbrauchssteigernd auswirkt. Außerdem ist es wegen der verhältnismäßig großen Tiefe der Kulen schwierig, einen geschlossenen Ölfilm zwischen der Zylinderinnenwand und den Druckbereichen aufrechtzuerhalten. Das öl tendiert dazu, sich ausschließlich in den Vertiefungen anzusammeln, und gewährleistet von dort aus wegen der getrennten Anordnung der Vertiefungen keine hydrodynamische Schmierung der Druckbereichc Auch aus diesem Grund sind bei dem bekannten Kolben hohe Reibungsverluste zu befürchten.

Aus der FR-PS 4 20 100 und den CH-PS 1 79 188 und 3 21 529 sind ferner Kolben bekannt, bei denen in den Kolbenschafl und, gegebenenfalls., den Kolbenkopf etwas über das eigentliche Kolbcnimaterial vorstehende Einsätze aus einem reibungsminderndcn Metall eingesetzt sind. Diese Einsätze haben in der Regel die Form von Ringen oder Segmenten; sie können laut CH-PS 1 79 188 aber auch in Form von Feldern angeordnet sein. Solche reibungsminderndcn Einsätze erhöhen den I lerstellungsaufwand eines Kolbens ganz wesentlich; sie lassen sich im Hinblick auf die hohe Warmebclastung praktisch nicht so verankern, dall sich eine ausreichende Lebensdauer des Kolbens ergäbe. Solche Einsätze die-

nen, soweit sie sich überhaupt in der Praxis eingeführt nabcn, allenfalls da/.u, während der Hinlaufphase des Kolbens reibungsvermindernd zu wirken, wobei sich der vorstehende Teil der Einsätze vollkommen abschleift

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs erläuterten Galtung so auizugestalten, daß ohne Verwendung reibungsmindernder Einsätze und ohne Verringerung der Lebensdauer eine Reduzierung der Reibung zwischen Kolben und zugeordnetem Zylinder erzielt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben werden die seitlichen Druckkräfte ausschließlich durch voneinander getrennte Druckbereiche auf die Zylinderinnenwand übertragen. Diese Druckbereiche gehen, ZL.nindcst in Axialrichiung des Kolbens, über sehr flache Rampen in einen zusammenhängenden, im wesentlichen zylindrischen Bereich verringerten Durchmessers über. Die Höhe der Rampen und damit der Druckbereichc ist außerordentlich gering. Es hat sich gezeigt, daß bei einer solchen Anordnung eine zuverlässige hydrodynamische Schmierung der Druckbereiche auch dann gewährleistet werden kann, wenn diese nur einen sehr kleinen Flächenbereich von beispielsweise nur 25% des bei einem normalen Kolben auftretenden Berührungsbereiches einnehmen. Die flachen, niedrigen Rampen stellen in Verbindung mit den in Umfangsrichtung verlaufenden Druckbereichrändern sicher, daß sich ein ölkeii in Bewegungsrichtung vor den Druckbereichen bildet, der über die Druckbereiche hinwegströmt und eine metallische Berührung dieser Druekberciche mit der Zylinderinnenwand zuverlässig verhindert. Dadurch kann die Führung des Kolbens mit vergleichsweise sehr kleinen Druckbereichen und damit unter erheblicher Verringerung der Reibung zwischen Kolben und Zylinder gewährleistet werden. Versuche haben ergeben, daß mit dem erfindungsgemäßen Kolben eine Leistungssteigerung in der Größenordnung von 1,8—4,6% je nach Lastverhalten bzw. eine Verringerung des Verbrauchs in der Größenordnung von 1,1—3,5% gegenüber konventionellen Kolben erzielt werden kann. Da die Druekberciche aus dem Material des Kolbens selbst herausgearbeitet werden, ist der bei Verwendung von getrennt hergestellten Einsätzen auftretende zusätzliche Hcrstellungsaufwand vermieden.

In den meisten Fällen genügt zur Gewährleistung einer hydrodynamischen Schmierung der Druckflächen die Verwendung von Rampen mit in Kolbenlängsrichtung geradliniger Oberfläche. Das Schmierungsverhalten kann aber günstig beeinflußt werden, indem die Rampenoberfläche gemäß Anspruch 2 oder 3 ausgebildet wird. Bei dieser Ausbildung werden die Fließwiderstände für das Schmiermittel noch reduziert so daß man mit noch kleineren Druckbereichen auskommt, ohne daß Schmierprobleme auftreten würden.

Aus Anspruch 4 ist ein günstiges Maß für die minimale Höhe der Druckbereiehoberflächen zu entnehmen. Noch geringere Höhen lassen sich in der Fertigung schwer beherrschen.

Eine zweckmäßige Gestalt der Druckbereiche gibt der Anspruch 5 an. Da die quer zur Bewegungrichtung des Kolbens verlaufenden Ränder in Umfangsrichtung des Kolbens verlaufen, ergibt sich ein günstiges Sirömungsverhalten des Schmiermittels, wenn die in Bewegungsrichtung sich erstreckenden Druckbcreichriinder parallel zur Bewegungsrichtung angeordnet sind.

Das aus Anspruch 6 hervorgehende Merkmal ergibt den Vorteil, daß das Schmiermittel nicht vor Erreichen des in Bewegungsrichtung hinteren Randes des Drucko berciches seitlich verdrängt wird. Ein gutes Schmierverhalten wird jedoch auch noch bei quadratischer Form der Druckbereiche erzielt.

Die aus Anspruch 7 zu entnehmende Anordnung der Druckbereiche sorgt für eine gute seitliche Abstützung to des Kolbens, wobei die maximale Zahl von drei Druckflächen herstellungstechnisch günstig ist und eine stabile Dreipunktabsi üt/.ung sicherstellt.

Die Ausbildung nach Anspruch 8 nimmt darauf Rücksicht, daß im kopfseitigen Bereich des Kolbenschaftes ii ein größerer Anteil der Druckkraft übertragen werden muß als am kopffernen Schaftende.

Der Anspruch 9 bezieht sich auf eine besonders günstige Anordnung der Druckbereiche. Diese Anordnung stellt sicher, daß in Axialrichtung keine wesentliche Überlappung der Druckbereiche stattfindet. Dadurch stören sich die Druckbereiche nicht gegenseitig durch eine ungünstige Beeinflussung des Strömungsverhaltens des Schmiermittels. In Bewegungsrichtung unmittelbar hintereinander liegende Druckbereiche könnten nämlieh zu einer Beeinträchtigung der Schmierung der in Bewegungsrichtung hinten liegenden Druckbereiche Anlaß geben.

Die Anordnung von seitlichen Rampen gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, daß der Kolben durch Drehen jo hergestellt werden kann.

Die Größenausbildung der seitlichen Rampen nach Anspruch 11 ergibt eine gut beherrschbare Steuerung des Drehwerkzeuges bei der Kolbenherstellung.

Gemäß Anspruch 12 sind die Druckbereiche in dem- n jenigen Abschnitt des Kolbenschaftes konzentriert, der den Hauptieil der seitlichen Belastung überträgt.

Normalerweise wird die Oberfläche der Druckbereiche in Axialrichtung des Kolbens eben sein. Eine gewisse Krümung kann jedoch zur Verbesserung des Schmicrvcrhaliens zweckmäßig sein.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsbeispiclcn naher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines 4^r> konventionellen Kolbens;

Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung senkrecht zur Koibcnbol/.enachse einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens;

F i g. 3 —5 vergrößerte Längsschnitte durch drei verschiedenc Ausgestaltungen jeweils eines Druckbereiches eines erfindungsgemäßen Kolbens;

F i g. 6 graphische Darstellungen der Leistung bzw. des spezifischen Treibstoffverbrauches in Abhängigkeit von der Motordrehzahl bei einem Standardkolben (durchgezogene Linie) einem Kolben nach F i g. 2 (langgestrichelte Linie) und nach F i g. 7 (kurzgestrichelte Linie);

Fig. 7 eine der Fig. 2 entsprechende Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgebo mäßen Kolbens;

Fi κ. 8 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens; und

Fig. 9 eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kolbens.
h^r> Aus Fig. 1 ist ein Kolben It üblicher Bauart ersichtlich, der einen Kolbenkopf 40 mit einem Kolbenboden t5, eine Reihe nicht näher bezeichneter Nuten für die Aufnahme von Kolbenringen, miteinander fluchtende

Kolbenbolzenaugen 13 zum Einsetzen eines Kolbenbolzens und einen Kolbenschaft 12 aufweist. Der Kolbenschaft ist im Querschnitt üblicherweise leicht oval.

Bei der Verwendung ist ein nicht-gezeichnetes Pleuel schwenkbar mit dem Kolben Il durch einen ebenfalls nicht-gezeichneten Kolbenbolzen verbunden, der in den Kolbenbolzenaugen 13 steckt. Da das Pleuel über den Hauptteil der Kolbenbewegung unter einem Winkel zur Kolbenlängsachse steht, wirkt auf den Kolben 11 eine veränderliche, seitliche Schubkraft ein, die während des Arbeitszyklus einen größeren oder kleineren Abschnitt der Kolbenwand gegen den zugeordneten Zylinder oder eine Zylinderbüchse preßt. (Wenn vorliegend von »Zylinder« gesprochen wird, soll dieser Begriff auch Zylinderbuchsen und in den Zylinder eingesetzte Giciihüisen umfassen.) Die den seitlichen Schub übertragenden Abschnitte liegen auf den gegenüberliegenden Seiten einer Ebene, die durch die Kolbenbolzen- und die Kolbenlängsachse gelegt iss.

In F i g. 1 ist bei 14 zwischen strichpunktierten Linien derjenige Bereich eines jeden beidseits der Kolbcnbolzenachse liegenden Kolbenschaftabschnitts angedeutet, innerhalb dessen im wesentlichen alle augenblicklichen Berührungsbereiche zwischen Kolben und Zylinder liegen. Dieser Bereich 14 kann an der Hauptschubseite des Kolbens, welche den Zylinder während des Expansionstaktes berührt, größer sein, als auf der gegenüberliegenden Seite, welche den Zylinder während des Verdichtungstaktes berührt. Die genaue Form der Berührungsfläche ändert sich von Kolben zu Kolben; es wurde jedoch herausgefunden, daß der Bereich 14 sich üblicherweise über nicht mehr als 30° zu jeder Seite einer Symmetrielängsebene erstreckt, die senkrecht zur Kolbenbolzenachse steht.

Es wurde auch herausgefunden, daß für einen Kolben mit einem Nenndurchmesser D und einer Kolbenwandlänge von x2D/i, der Konlaktbcreich näherungsweise ,τ Z>V9 beträgt. Ein solcher Kolben wird nachfolgend als »Standardkolben« bezeichnet und eine solche Berührungsfläche wird als »Standard-Berührungsfläche« benannt.

Die Gleitberührung zwischen der Kolbenwand und dem Zylinder oder der Laufbüchse ist durch einen Ölfilm geschmiert. Die Reibungskraft (F) /wischen dem Kolben und dem Zylinder oder der Laufbüchse als Er gebnis dieser Berührung ist durch die folgende Zuordnunggegeben:

20

2^r>

jo

4o

-

Vt

W = Last

η = Schmiermittel-Viskosität,

U = Gleitgeschwindigkeit und

/4 = Berührungsfläche.

Die Berührung zwischen den Schubabschnitten 14 der Kolbenwand und dem zugeordneten Zylinder veranlaßt proportional hohe Reibungsverluste, beispiels- bo weise 20% der gesamten Reibungsverluste des Motors (was etwa 8% der abgegebenen mechanischen Leistung entspricht), was umgekehrt den Treibstoffverbrauch verschlechtert Somit kann die Verringerung der Reibung von beispielsweise 25% zwischen der Kolben- b5 wand und dem Zylinder eine zusätzliche mechanische Leistungsabgabe von etwa 2% liefern, wobei in diesem Beispiel sich der für eine vorgegebene Leistung erforderliche Treibstoff um gerade unter 2% verringert.

Dieser Zusammenhang impliziert, daß für eine vorgegebene Belastung, Viskosität und Geschwindigkeit die Reibungskraft durch Verringerung der Berührungsfläehe verringert werden kann. Dies ist deutlich erwünscht, da, wie oben erwähnt, ein Teil der Motorleistung beim Überwinden dieser Reibung verbraucht wird.

Eine Verringerung der Berührungsfläche verringert allerdings auch die Dicke des Ölfilms zwischen der KoI-benwand und dem Zylinder oder der Laufbüchse. Nur eine begrenzte Verringerung dieser Dicke kann hingenommen werden, denn wenn die Dicke des Ölfilms kleiner ist als die Höhe der Oberflächenrauhigkeiten der Kolbcnwand und des Zylinders oder der Laufbüchse, dann besieht eine gegenseitige metallische Berührung, und die Reibungskräfte steigen plötzlich an.

In den Ausführungsbcispiclen der nun zu beschreibenden Erfindung werden Teilen, die den F i g. 1 bis 5 und 7 bis 9 gemeinsam sind, dieselben Bezugszeichen gegeben, und sie werden nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen: Der dort gezeigte Kolben 11 weist sechs getrennte, aus dem Kolbenmaterial herausgearbeitete Druckbereiche 2,3,4 am Kolbcnschaft 12 für die Gleitberührung mit einem zugeordneten Zylinder auf. Die Druckbereiche sind gegenüber dem restlichen Kolbenschaft 12 erhaben, der somit an seiner Außenseite eine in sich zusammenhängende Fläche von gegenüber dem Durchmesser des Druckbereichs 14 eines Standardkolbens (Fig. 1) reduziertem Durchmesser bildet. Diese Fläche reduzierten Durchmessers ist im allgemeinen zylindrisch, wobei als »zylindrisch« jedoch im Sinne der Erfindung Flächen anzusehen sind, die die bei manchen Kolben übliche, etwas ballige Form haben.

Die Druckbercichc sind in ähnlichen Gruppen von dreien an jeder Seite einer durch die Kolbcnbolzcnachsc gelegten Längsebene angeordnet. F i g. 2 zeigt eine Gruppe von Druckbercichcn 2,3 und 4: die Gruppe auf der anderen Seite des Kolbens ist entsprechend angeordnet. Zwei Lagerflächen 2 und 4 sind in Umfangsrichtung aufeinander ausgerichtet, liegen näher am Kolbenkopf 40 und sind mit gleichem Abstand beiderseits einer senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Längssymmetrieebene des Kolbens am Kolbenschaft 12 angeordnet. Der andere Druckbcrcich 3 liegt nahe dem unlcren Ende des Kolbenschafts 12 und ist auf der erwähnten Symmetrieebene angeordnet. Die Relativanordnung der Druckbereichc und ihre Abmessungen in Umfangsrichtung sind so gewählt, daß der untere Druckbereich 3 im Zwischenraum zwischen den kopfseiiigen Druckbercichcn 2 und 4, jedoch nach unten versetzt, liegt. Die Druckbereiche 2 bis 4 überlappen sich somit in Längsrichtung des Kolbens nicht Sie weisen im allgemeinen dieselbe rechteckige Form mit zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rändern und zwei sich axial erstreckenden Rändern auf. Die äußeren Axialränder der beiden kopfseitigen Druckberciche 2,4 sind jeweils um einen Winkelabstand von 30° gegenüber der Längssymmetricebene versetzt, so daß sie innerhalb der Berührungsfläche 14 eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen liegen. Der untere Druckbereich 3 erstreckt sich 5° zu jeder Seite der Längssymmetrieebenc hin und liegt somit ebenfalls innerhalb dieser Fläche 14.

Wie in F i g. 2 gezeigt, liegen Rampen 16 vor, welche sich jeweils über 5" des Kolbenwandumfangs erstrekken und zu den sich axial erstreckenden Rändern eines jeden Druckbereiches 2,3, 4 hinaufführen. Ferner sind

in Axialrichiung längere Rampen 17 vorgesehen, welche /u den in Umfangsrichtung verlaufenden Rändern eines jeden Druckbereichs 2,3,4 hinaufführen. Die Länge der Rampen 17 kann 8 mm betragen, um eine Neigung in bezug auf eine gedachte Zylinderfläche, die koaxial zur Kolbenachse liegt, von zwischen 0,2° und 1,0" zu liefern. Somit weist das aus je einem Druckbereich und zwei axialen Rampen 17 bestehende Gebilde einen im wesentlichen trapezförmigen Längsschnitt auf. Die Oberfläche eines jeden Druckbereichs ist in Umfangsrichtung gekrümmt und weist einen Abstand von 25 μ radial nach außen zum Rest der Kolbcnwand-Schubabschnilte 14 auf, obwohl dieser Abstand auch kleiner sein kann oder beispielsweise bis zu 125 μ betragen kann.

Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 2 liegen innerhalb der beiden Kolbenwand-Schubabschnilte 14 gemeinsam eine Gesamtmenge von vier Druckbcreichcn zum kopfseitigen Ende des Kolbens 11 hin und zwei Druckbereiche zum unteren Ende des Kolbenschafts hin vor. Die Berührungsfläche der üruckbereiche 2, 3, 4 an jedem Kolbenwand-Schubabschnitt beträgt 8% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Die Druckbereiche können in Umfangsrichtung bogenförmig gekrümmt sein, müssen aber nicht notwendigerweise so gestaltet sein; es können teilweise elliptische Oberflächen geeignet sein. Wenn die Druckbereiche bogenförmig sind, dann brauchen sie nicht denselben Krümmungsminelpunkt wie der Kolben aufzuweisen, wenn man davon ausgeht, daß dieser zylindrisch ist. In Kolbenlängsrichtung können die Druckbereiche ebene oder gekrümmte Oberflächen aufweisen.

Es kann, wie oben beschrieben, eine gleiche Anzahl von Druckbereichen an beiden Schubabschnitten des Kolbens ausgebildet sein, oder die Druckberciche können derart angeordnet sein, daß mehr Druckberciche oder ein größerer Druckbereich an einem Schubabschnitt vorgesehen ist. Es können beispielsweise mehr Druckbereiche oder ein größerer Druckbereich am Hauptschubabschnitt der Kolbcnwand vorliegen als an jenem Abschnitt der Kolbenwand mit kleinerem Schub.

Bei der Verwendung ist der Kolben 11 an einem Pleuel im Zylinder oder der Laufbuchse eines Motors angebracht und bewegt sich hin und her. Die Druckberciche berühren den Zylinder, um den Schub vom Pleuel auf den Motorblock zu übertragen und die Kolben bei ihrer Hin- und Herbewegung zu führen. Die Druckbereiche 2, 3, 4 liegen innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit entsprechenden Abmessungen, und sie wirken somit auch dem seitlichen Schub entgegen, der auf den Kolben einwirkt. Da die beiden kopfseiligen Druckbereiche 2, 4 in Umfangsrichtung einen Abstand aufweisen, verringern sie die Möglichkeit, dall sich die Kolbenwand unter dem Einfluß der Schubfläche verformt. Der untere Druckbereich 3 ist in seiner Flächengröße kleiner als die kombinierte Fläche der kopfseitigen Druckbereiche 2, 4, weil die Kräfte, die auf den unteren Teil der Kolbenwand einwirken, geringer sind als die Kräfte am Kopfende der Kolbenwand. Somit sind die Schubkräfte zufriedenstellend übertragen.

Eine geeignete hydrodynamische Schmierung der Druckbereiche 2,3,4 wird durch die Rampen gefördert, welche in Axialrichtung den Druckbereichen zugeordnet sind. Wie am besten aus Fig.3 zu folgern ist in welcher die Richtung der Hin- und Herbewegung des Kolbens durch den Pfeil A bezeichnet ist, halten die zu den in Umfangsrichtung verlaufenden Rändern der Druckbereiche führenden Rampen 17 einen zufriedenstellenden Ölfilm an den Druckbereichen 2, 3, 4 aufrecht, und zwar trotz der Neigung der verringerten Berührungsfläche, sonst die Dicke des Ölfilms unter ein betriebsfähiges Minimum zu reduzieren. Die flache Stei-

^r> giing der Rampen, die bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 1" nicht übersteigt, bildet zusammen mit dem zugeordneten Zylinder einen sich allmählich verengenden Kanal für das öl, welches dynamisch auf die Oberflächen der Druckbereichc 2, 3, 4 geführt wird. Das öl

ίο strömt über die Druckbereiche, bevor es zum Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Bereich des Kolbenwandabschnittes mit verringertem Durchmesser zurückkehrt, der die Druckbereiche umgibt.

Der Radialabstand der Druckbereiche von den Fuß-

Γ) punkten der Rampen liegt bevorzugt zwischen 125 μ und 25 μ und ist hinlänglich klein, um es zu ermöglichen, daß öl in diesen Bereichen während der Hin- und Herbewegung des Kolbens zurückgehalten wird, und um augenblicklich öl während Fällen von einer Kolbenneigung unter Druck zu setzen, welche, wie angenommen wird, verstärkte Schmierung der Druckbereiche liefern kann. Zusätzlich ermöglicht es der Spalt zwischen den kopfscitigcn Druckbereichen 2, 4 dem öl, den unteren Druckbcrcich 3 während eines Verdichtungstaktes zu erreichen, so daß der untere Druckbereich 3 während dieses Taktes hinlänglich öl erhält. Eine entgegengesetzte Wirkung findet während des Expansionstaktes statt, während dessen öl nicht daran gehindert wird, die kopfseitigen Druckbereiche 2,4 zu erreichen.

Somit wird eine Verringerung in der Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinder mit einer entsprechenden Verringerung der Reibungskräfte erreicht, aber ohne eine schädliche Verringerung der Dicke des Schmierfilmes.

i^r) Wenn ein Kolben in einem Verbrennungsmotor oder Motor angebracht ist, dann wird er an einem Pleuel mittels eines Kolbenbolzens befestigt. Weil der Kolben keine genaue Passung im zugeordneten Zylinder aufweist, kann er um den Kolbenbolzen schwenken und

•to sich somit die Ausrichtung der Rampen und Druckbereiche bezüglich des Zylinders ändern. Zusätzlich wird sich der Kolben und der zugeordnete Zylinder auch ausdehnen, wenn der Motor oder Verbrennungsmotor startet und Betriebstemperaturen erreicht. Dies wird

4^r> auch die Ausrichtung der Rampen und Druckbereiche bezüglich des zugeordneten Zylinders ändern.

Solche Änderungen werden die Abmessungen des Kanalcs ändern, der zwischen den Rampen und den Zylinder gebildet wird, wodurch die Schmierung des

•m zugeordneten Druckbereichs beeinträchtigt werden kann. Um solche möglichen Probleme zu überwinden, kann der Längsschnitt der Druckbereiche von der ebenen Gestalt der Fig.3 in die in den Fig.4 oder 5 gezeigten Formen geändert werden.

In Fig.4 wird jene Rampe, welche zu einem Umfangsrand eines Druckbereichs hinaufführt, aus zwei zueinander geneigten Abschnitten 17a, 17f> gebildet. Der erste Abschnitt 17a liefert einen Kanal für die hydrodynamische Schmierung für eine relative Ausrichtung der

bo Rampe und des Zylinders, während der zweite Abschnitt 176 einen solchen Kanal herstellt, wenn eine alternative Ausrichtung vorliegt

In Fig.5 ist die Anzahl von Änderungspunkten unendlich, so daß die Rampe 17 konvex gekrümmt ist. Dies

b^ri ermöglicht das Erreichen einer hydrodynamischen Schmierung unier allen Bedingungen. Bei diesem Ausführungsbcispicl ist der Druckbereich in Axialrichtung ebenfalls gekrümmt Da ein Druckbereich jener Art wie

ίο

sie in F i g. 3 gezeigt ist, schließlich sich bis zur Form der Oberfläche in Fig.5 abnutzen wird, nimmt die Form der F i g. 5 diese Abnutzung vorweg.

Das Vorsehen von Druckbereichen gemäß z. B. F i g. 2, hat Verbesserungen bei der Motorleistung bzw. beim Treibstoffverbrauch zur Folge.

Beispielsweise haben Kolben 11 gemäß F i g. 2, die in einem Motor mit 1275 cm¹ eingesetzt wurden, die folgenden Verbesserungen geliefert verglichen mit der Verwendung von Standardkolbcn mit denselben Abmessungen:

— Leistung: keine bezeichnende Verbesserung,

— Treibstoffverbrauch — Verringerung bis zu 3,5% — Verbesserung bei Vollast, und

— Reibung — Verringerung um etwa 1% bei 2500 Umdrehungen pro Minute und Bctriebsbclastung.

Diese Ergebnisse sind graphisch in F i g. 6 gezeigt, wobei die Resultate für die Standardkolben in ausgezogenen Linien und die Ergebnisse des Kolbens der F i g. 2 in langgestrichelten Linien gezeigt sind.

Es wird als nächstes auf Fig.7 Bezug genommen; dort ist ein Kolben 20 gezeigt, der allgemein ähnlich

!5

20 sein wie die Umfangserstreckung der unteren Gruppe. Wie beim Kolben der F i g. 2 können Anzahl, Anordnung oder Flächengröße der Druckbereiche am Hauptschubabschnitt der Kolbenwand gegenüber jener der Druckbereichc am kleineren Schubabschnitt der KoI-bcnwand unterschiedlich sein. Allerdings liegt im allgemeinen der Hauptteil der Fläche der Druckbereichc innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Wie in F i g. 7 gezeigt ist, führen Rampen 26 zu den in UmfangsrichUing verlaufenden Rändern eines jeden Druckbercichs 6 bis 10 hinauf. Die axiale Länge der Rampen 26 kann ungefähr 5 mm sein, um eine Neigung gegenüber dem im Durchmesser gegenüber den Druckbereichen verringerten Rest der Kolbcnwand von zwischen 0,3° und 1,5° zu liefern.

Die Berührungsfläche der Druckbereiche 6 bis 10 an jedem Kolbcnwandabschnill beträgt 25% der Berührungsfläche 14 eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Der Abstand der Druckbereiche radial am zugeordneten Kolbenwandabschnitt nach außen beträgt 25 μ, kann aber auch weniger sein oder beispielsweise bis zu 125 μ betragen.

Der Kolben der F i g. 7 arbeitet allgemein auf dieselbe

gg g

dem Kolben 11 gemäß Fig. 1 ist. Beim Kolben der 25 Weise wie der Kolben der Fig.2, mit denselben last-

f d dlb hdd

F i g. 7 sind zwei kopfseitige Druckbereichc 6, 7 an jedem Kolbenwandabschnitt mit gleichem Abstand an den gegenüberliegenden Seiten einer senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Längssymmetriccbene vorgesehen. Zusätzlich liegen hier drei untere Druckbereiche 8,9,10 an jedem Schubabschnitt der Kolbcnwand vor, wobei der mittlere Druckbereich 9 symmetrisch auf der genannten Längssymmctriccbcne liegt, während die äußeren Druckbereiche in gleichen Abständen beiderseits dieser Ebene liegen. Die Druckbereiche sind alle in ihrer Form rechteckig, wobei sich ihre längere Abmessung in Umfangsrichtung erstreckt. Die äußeren axialen Ränder des oberen Paares der Druckbereiche 6 und 7 weisen jeweils einen Winkelabsland übertragenden Eigenschaften und denselben hydrodynamischen Schmicreigenschaftcn.

Die Tatsache, daß die Druckbereiche 6 bis 10 in Umfangsrichtung langer sind als in Achsrichtung, verbes-

jo serl die Schmierung, da das meiste öl, das einen Umfangsrand eines Druckbcrciches von einer Rampe 26 aus hinaufgepreßt wurde, sich über die Oberfläche ausbreitet und danach trachtet, die Oberfläche über den nachlaufenden Umfangsrand zu verlassen. Dort, wo die axiale Abmessung der Oberfläche länger ist als die Umfangsabmessung, hat viel öl die Oberfläche in Umfangsrichtung verlassen, bevor es den nachlaufenden Rand erreicht, und somit können Teile der Oberfläche ungenügend geschmiert werden. Bei dem Kolben der F i g. 2

g g

von 40° gegenüber der Längssymmetricebenc auf, so 40 ist allerdings die axiale Länge ausreichend kurz, um si-

daß sie weitgehend innerhalb des Berührungsbereiches chcr/.ustcllcn, daß nur ein verhältnismäßig kleiner An-

eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen lic- teil des Öls die Seiten verläßt, so daß hinlänglich öl die

gen. Es liegen zwei Rampen 21 und 24 in Umfangsrich- nachlaufenden Ränder der Flächen erreicht. Zusätzlich

tung vor, welche sich jeweils über 5° des Umfangs der stellt die Positionierung des mittleren unteren Druckbe-

Kolbenwand erstrecken und zu den äußeren, sich axial 45 reichs des Kolbens der F i g. 7 zwischen den kopfendsei-

erstreckenden Rändern der Druckbereiche 6 und 7 hinaufführen, sowie zwei Rampen 22 und 23, die sich jeweils über 10° des Umfangs der Kolbenwand crstrckken und zu den inneren, sich axial erstreckenden Rändern der Druckbereiche 6 und 7 hinauf erstrecken. Die Druckbereiche 6,7 weisen jeweils eine Bogenlänge von 25° auf.

Die unteren Druckbereiche haben symmetrische seitliche Rampen 25, welche sich auf jeder Seite der Druckligen Druckbereichen sicher, daß die Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 der Kolbenwand stattfindet.

Dieser Kolben zeigt als wesentliches Merkmal somit eine Verringerung in der Berührungsfläche, mit der hieraus folgenden Verringerung in den Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen aufrechterhalten bleibt.

Diese Anordnung der Druckbereiche selbst, ihre Zu

bereiche über 5° des Umfangs der Kolbenwand erstrek- 55 Ordnung zueinander und ihre Zuordnung zu dem umge-

ken. Der mittlere Druckbereich 9 weist eine größere benden Schubabschnitt der Kolbenwand liefert Verbes-

Bogenlänge auf als die anderen beiden Druckbereiche 8 scrungen in der Motorleistung bzw. im Verbrauch. Bei-

und 10, so daß er sich in Umfangsrichtung über den spielsweise haben vier Kolben der in F i g. 7 gezeigten

größten Teil des Spalts zwischen den kopfendseitigen Art, die in einen Motor mit 1275 cm³ eingebaut wurden,

Druckbereichen 6,7 erstreckt. Die äußeren axialen Rän- bo die folgenden Verbesserungen ergeben, verglichen mit

der der Druckbereiche 8 und 10 weisen jeweils einen Winkelabstand von 40° gegenüber der Längssymmetrieebene auf. Die unteren Ecken der beiden unteren Druckbereiche 8, 10 sind wegen der Formgebung der Kolbenwand im gezeigten Beispiel entfernt, werden aber bei anderen Beispielen nicht entfernt.

Die Umfangserstreckung der oberen Gruppe von Druckbereichen braucht allerdings nicht dieselbe zu der Verwendung von Standardkolben derselben allgemeinen Abmessungen:

— 1 xistung — bis zu 3,6% Verbesserung,

— Treibstoffverbrauch — bis zu 5% Verbesserung bei Vollast und

— Reibung — Verringerung um etwa 3% bei 2500 Umdrehungen pro Minute und Fahrbelastung.

Diese Ergebnisse sind graphisch in F i g. 6 gezeigt (in gestrichelten Linien mit kurzen Strichen) im Vergleich mit einem Standardkolbcn (in ausgezogenen Linien).

Es wird als nächstes auf F i g. 8 Bezug genommen; der dort gezeigte Kolben 30 ist ähnlich dem Kolben der F i g. 2. Drei Druckberciche 31,32,33 sind an jeder Seite des Kolbens vorgesehen, und zwar zwei Druckbereiche 31,32 nahe dem kopfseitigen Ende der Kolbenwand und ein unterer Druckbercich 33 nahe dem unteren Ende der Kolbenwand. Die beiden kopfseitigen Druckbereiche 31, 32 sind rechteckig, wobei sich ihre längere Abmessung in Umfangsriehtung erstreckt, jeder dieser Druckbereiche weist eine Umfangslänge von 20" auf und erstreckt sich bis zu 35", vom Schnitt der Kolbcnwand mit einer Ebene aus gerechnet, die die Koibenaehse enthält und senkrecht zur Achse des Kolbenbolzenauges steht. Die axialen Ränder weisen Rampen 34 auf, welche zu diesen hinaufführen und deren Umfangslänge 10° ist. Es liegen auch Rampen 35 vor, die zum Umfangsrand hinaufführen, deren axiale Länge 4 mm sein kann, um ein Gefälle bezüglich dem Rest der Kolbenwand von zwischen 0,4° und 1,5" zu ergeben.

Der untere Druckbereich 33 ist ebenfalls rechteckig, mit der größeren Abmessung in Umfangsriehtung. Diese Fläche ist derart angeordnet, daß ihre Umfangslänge gleich ist dem Umfangsspalt zwischen den kopfseitigen Druckbereichen 31,32. Der Flächeninhalt des Druckbereiches 33 ist größer als der Flächeninhalt eines jeden kopfseitigen Druckbereiches 31, 32, jedoch kleiner als ihre zusammengenommene Fläche. Beispielsweise kann der Druckbereich 33 das 0,75fache der Fläche der zusammengenommenen Flächeninhalte der kopfseitigen Druckbereiche haben. Dieser untere Druckbereich 33 ist mit seitlichen Rampen 36 versehen, die sich in Umfangsriehtung über 10" erstrecken, sowie mit axialen Rampen 37. Die axiale Länge der oberen Rampe 37 kann 4 mm betragen, um eine Neigung bezüglich des kleindurchmeßrigen Bereiches der Kolbenwand von zwischen 0,4° und 1,5° zu ergeben. Die untere Rampe 37 hat ein Gefälle, das kleiner ist als jenes der oberen Rampe 37.

Die Berührungsfläche der drei Druckberciche kann £>²/11,5 betragen, wobei Oder Nenndurchmesser des Kolbens ist. Somit beträgt die Berührungsfläche nur 25% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen. Die Druckbereiche sind wieder mit Radialabstand zur übrigen Kolbenschaftwancl von höchstens 125 μ und nicht weniger als 25 μ angeordnet. Die Kolbenwand kann ferner im Durchmesser jenseits der axialen Ränder der kopfseitigen Druckberciche 31, 32 zusätzlich verringert sein, um die seitliche Berührung des Kolbens mit dem Zylinder zu verhindern.

Der Kolben der F i g. 8 arbeitet auf die allgemein selbe Weise wie die Kolben der F i g. 2 und 4 mit ähnlichen Charakteristiken zur Laslaufnahme und hydrodynamischen Schmierung. Die in Umfangsriehtung längliche Form der Druckbereiche und die Form der Rampen stellen eine zufriedenstellende Schmierung sicher, und die Oberlagerung zwischen dem unteren Druckbereich 33 und den kopfseitigen Druckbereichen stellt sicher, daß die Berührung mit dem Zylinder über die gesamte Umfangserstreckung des Schubabschnitts 14 der Kolbenwand erfolgt

Dieser Kolben weist als wesentliches Merkmal auch eine Verringerung in der Berührungsfläche auf mit der hieraus folgenden Verringerung in den Reibungskräften, während eine geeignete Schmierung der Berührungsflächen aufrechterhallen bleibt.

Es wird als nächstes auf F i g. 9 Bezug genommen; der dort gezeigte vierte Kolben 41 hat nur zwei Druckbereichc 42,43 an jeder Seile des Kolbens. Die beiden Druckberciche 42, 43 weisen einen Axialabstand auf und sind beide in der l.ängssymmctrieebene angeordnet. Beide Druckbereiche 42,43 sind in der Form rechteckig, wobei sich die längeren Ränder in Umfangsriehtung erstrekken. Der kopfseitige Druckbereich 42 weist eine kleinere Fläche auf als der untere. Ersterer hat eine Umfangserstreckung von 20", verglichen mit einer Umfangserstreckung von 40" für letzteren. Diese Flächen liegen innerhalb der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Beide Druckbereiche 42, 43 sind mit seitlichen Ram-

Γ) pen 44 versehen, deren winkeierstreckung 10° beträgt. Es sind auch axiale Rampen 45 vorgesehen, deren Neigung bezüglich des Restes der Kolbenwand zwischen 0,4" und 1,5" beträgt. Eine Rampe 45, die zum unteren Unifangsrand des unteren Druckbereiches 43 hinaufführt, erstreckt sich bis zur Unterkante der Kolbenwand und hat eine Neigung, die kleiner ist als jene der anderen Rampen 45.

Die Druckbereiche 42,43 weisen einen Abstand radial nach außen bezüglich der umgebenden Koibenwand von nicht mehr als 125 μ und nicht weniger als 25 μ auf. Die Berührungsfläche der Druckbereiche 42,43 beträgt etwa 18% der Berührungsfläche eines Standardkolbens mit ähnlichen Abmessungen.

Es wird anhand der obigen, beispielhaften Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Druckbereiche an den .Schubabschnitten der Kolbenwand auch in anderer Verteilung angeordnet sein können. Eine große Anzahl kleinerer Druckbereiche kann anstelle einer

J5 kleinen Anzahl größerer Druckbereiche verwendet werden. Die Anzahl und/oder Anordnung und/oder der Flächeninhalt der Druckbereiche kann sich an den Abschnitten mit größcrem und kleinerem Schub unterscheiden. Zusätzlich kann die Oberfläche eines jeden Druckbereiches jede geeignete Form aufweisen, sei diese nun gekrümmt oder eben. Der Flächeninhalt der Druckberciche kann zwischen 0,05 und 0,95 D ²/9 variieren, wobei Oder Nenndurchmesser des Kolbens ist.
Zusätzlich können ein Druckbereich oder mehrere Druckberciche im Bereich des Kolbenkopfes 40 vorgesehen sein.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Kolbenkopf, einem Kolbenschaft und einer Kolbenbolzenbohrung, wobei die Kolbenschaflabschnitte beiderseits der durch die Kolbenbolzenachse gelegten Axialebene Bereiche verringerten Durchmessers und aus dem Kolbcnmalcrial bestehende Druckbereiche zum Übertragen der seitlichen Druckkräfte auf den mit dem Kolben zusammenwirkenden geschmierten Zylinder aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die Druckberciche (2—4; 6—10; 31—33; 42, 43) voneinander getrennte Bereiche sind, die über eine im wesentlichen zylindrische, zusammenhängende, den jeweiligen Bereich verringerten Durchmessers bildende Fläche (12) vorstehen, daß die Druckbereiche in der Kolbenbewegungsrichtung vordere und hintere Ränder aufweisen, die sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstrecken, daß die vorderen und hinteren Ränder mit der zugehörigen Fläche verringerten Durchmessers über Rampen (17; 17a, b; 35; 45) verbunden sind, deren vom zugehörigen Rand entfernte Enden radial nicht mehr als 125 μ von der Druckbereichoberfläche entfernt und deren Neigung relativ zu der zugehörigen Fläche verringerten Durchmessers weniger als 1,5° beträgt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenoberfläche in Bewegungsrichtung des Kolbens (11) aus zwei zueinander geneigten, ebenen Abschnitten (17a, ty besteht (F i g. 4).

3. Kolben nach Anspruch !.dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenobcrfläche in Bewegungsrichtung des Kolbens (11) gekrümmt ist (F i g. 5).

4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom zugehörigen Rand des Druckbereiches (2—4; 6-10; 31—33; 42, 43) entfernte Ende der Rampe (17; 35; 45) radial mehr als 25 μ von der Druckbercichoberflächc entfernt ist.

5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbereiche (2—4; 6—10; 31—33; 42,43) in ihrer Form allgemein rechteckig sind.

6. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Druckbereiche (6,7,9; 33; 42; 43) in axialer Richtung kleiner ist als die Breite in der Unifangsrichtung.

7. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Druckbereiche (2—4; 6—10; 31—33) auf jeder Seite der durch die Kolbenbolzenachse gelegten Axialebenc vorgesehen sind, wobei jeweils mindestens zwei (2, 4; 6, 7; 31, 32) dieser Druckbereiche zum Kolbenkopf (40) hin und die verbleibenden Druckbereichc (3; 8—10; 33) zum unteren Ende des Kolbcnschafts (12) hin liegen.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden kopfseitigen Druckbereiche (2,4; 31, 32) einen größeren Flächeninhalt aufweisen als die verbleibenden Druckbereichc (3; 33).

9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabstund zwischen den kopfseitigen Druckbereichen (2; 4) mindestens so groß ist wie die Umfangslänge des verbleibenden, zum Kolbenschaftende hin und zwischen ihnen liegenden Druckbereichs (3).

10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem rechteckigen Druckbereich (2-4; 6-10; 31-33; 42, 44) auch in Umfangsrichtung Rampen (16; 21—25; 34, 36; 44) zugeordnet sind.

11. Kolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rampen einen Umfangswinkel von 10° einnimmt.

12. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Druckbereiche (2-4; 6-10; 31-33; 42, 43) in einem Umfangsbereich liegen, der sich beiderseits einer senkrecht zur Kolbcnbolzenachse liegenden, axialen Symmetrieebene über nicht mehr als 30° erstreckt

13. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Druckbereiche in Axialrichtung gekrümmt ist