DE3418454C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit ballig-ovaler Außenform, dessen Kolbenschaft im Kaltzustand am oberen Ende ein größeres Laufspiel als am unteren Ende aufweist.

Heute erhalten nahezu alle Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen eine formbearbeitete Lauffläche, die den thermischen und mechanischen Gegebenheiten im Motorbetrieb gerecht wird. Es besteht deshalb für alle Kolbengrößen und -ausführungen eine Vielzahl von ballig-ovalen Außenformen mit dem Ziel, außer einem kleinen Laufspiel einen möglichst großen tragenden Anteil der Oberfläche des Kolbenschaftes mit dem Zylinder in der Laufebene zu erzeugen, ohne dadurch an Freßsicherheit zu verlieren. Die ballige Form des Kolbens im Kaltzustand entsteht durch den gekrümmten Verlauf der Mantellinien des Kolbenschafts, der notwendig ist, um den Temperaturverlauf längs des Kolbenschafts um die jeweils damit verbundene Ausdehnung auszugleichen. Diese sogenannte Schleifkurve ist am oberen Ende des Kolbenschafts wegen der dort im Motorbetrieb herrschenden vergleichsweise hohen Temperaturen und zur Erzeugung guter Schmierverhältnisse, d. h. zur Schmierkeilbildung, meist stark eingezogen und in der Mitte leicht gekrümmt ausgebildet. Am Schaftende kann sie wegen der Schmierverhältnisse wiederum leicht eingezogen sein oder aber auch gradlinig auslaufen.

Die Ovalität des Kolbens, deren kleine Halbachse die gleiche Richtung wie die Bolzenachse besitzt, ist am oberen Ende des Kolbenschafts häufig größer als an seinem unteren Ende, wobei die beiden Ovalitäten stetig verlaufend ineinander übergehen. Die Ovalität des Kolbens kann auch konstant sein. Infolge der Ovalität des Kolbenschafts werden die temperaturbedingte Volumens- und Umfangslängezunahme des Leichtmetallkolbens in Richtung der Bolzenachse umgelenkt und andererseits Schaftverformungen, hervorgerufen durch die Gleitbahnkraft, aufgefangen. Es ist dabei notwendig, daß der Kolbenschaft auch bei voller Beanspruchung im Motorbetrieb noch eine Ovalitätsreserve hat. Infolge der Schwenkbewegung der Pleuelstange und der dadurch senkrecht zur Kolbenachse eingeleiteten, aus der Kraftzerlegung der Gaskraft herrührenden, veränderlichen Gleitbahnkraft trägt der Leichtmetallkolben im Motorbetrieb im wesentlichen in den Bereichen beidseitig der Ebene, die die Kolbenachse und die senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Richtung umfaßt (Druck-/Gegendruckseite). Da in diesen Bereichen nicht über den gesamten Kolbenweg ein hydrodynamischer Schmierfilm gewährleistet ist, kommt es in der Nähe der Totpunkte zu Mischreibung zwischen Kolben und Zylinderlauffläche. Infolgedessen bilden sich am Kolbenschaft sogenannte Tragbilder mit parabelförmigen seitlichen Begrenzungslinien aus, die sich beidseitig der Ebene, bezogen auf eine Kolbenschafthälfte, jeweils über einen Abschnitt von bis zu 45° erstrecken. Bei der nach diesen Gesichtspunkten erfolgenden Gestaltung des Kolbens ist man bestrebt, einen möglichst großen Teil des Kolbenschafts mit der Zylinderlauffläche zum Zwecke der sicheren Aufnahme der Seitenkräfte in Kontakt zu bringen. Die genaue Form des Tragbildes ändert sich von Kolben zu Kolben. Mischreibung zwischen Kolben und Zylinderlauffläche führt zu einer Erhöhung der Reibleistung. Zusätzlich entstehen in den nicht an der Aufnahme der Seitenkräfte unmittelbar beteiligten, jedoch infolge der Ovalität des Kolbenschafts nahe der Zylinderlauffläche sich bewegenden Bereichen des Kolbenschafts Reibungsverluste durch Scherkräfte in dem zwischen Kolben und Zylinderlauffläche bestehenden Schmierfilm.

In der DE-AS 14 75 846 ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem die normale Ovalität der Ovalform des Kolbenschafts in den Bereichen zwischen der großen und der kleinen Halbachse jeweils positiv oder negativ korrigiert, d. h. die Ovalitätsform unter 45° verdickt bzw. zurückgenommen sein kann, ohne das Verhältnis von großer zu kleiner Achse, d. h. die Größe der Ovalität zu verändern. Die Größe der positiven oder negativen Korrektur der normalen Ovalität wird als Ovalitätscharakteristik bezeichnet. Um ein Fressen zu verhindern, besitzt der Kolbenschaft über seine Länge voneinander abweichende Ovalitätscharakteristiken, die stetig verlaufend ineinander übergehen.

Die insgesamt durch den Kolbenschaft entstehenden Reibungsverluste können bis zu 15% der Gesamtreibung der Brennkraftmaschine betragen. Eine Verringerung der Reibleistung durch Verkleinerung der tragenden Flächen des Kolbenschafts kann somit zu einer Erhöhung der Leistung der Brennkraftmaschine bzw. zu einer Kraftstoffeinsparung führen. So ist in der DE 32 28 982 A1 ein Kolben vorgesehen, bei dem in den Bereichen beidseitig der Ebene, die die Kolbenachse und die senkrecht zur Kolbenachse verlaufende Richtung umfaßt, nur eine oder mehrere getrennte, relativ kleine, mit der Zylinderlauffläche in Kontakt stehenden Lagerflächen angeordnet sind. Die Randbereiche der Lagerflächen sind so ausgebildet, daß das Schmiermittel zur zugeordneten Lagerfläche und zwischen Kolben und Zylinderlauffläche geleitet wird. Dadurch entsteht jedoch bei voller Belastung eine erhöhte Flächenpressung verbunden mit Verschleiß und damit der Gefahr des Fressens, weil keine zur Anlage kommenden Reserveflächen bestehen. Ferner wird der Bewegungsablauf des Kolbens negativ beeinflußt, weil kein gleichmäßiges Abrollen beim Wechsel der Anlagefläche des Kolbens im Zylinder erfolgt. Das wirkt sich ebenfalls nachteilig auf den Bewegungsablauf der Kolbenringe aus, so daß der Schmiermittelverbrauch der Brennkraftmaschine erhöht wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Leichtmetallkolben der eingangs beschriebenen Bauart die Reibleistung zu senken, ohne seine anderen Funktionen zu beeinträchtigen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Ovalität des Kolbenschafts im Bereich der durch die Bolzenachse gelegten horizontalen Ebene größer ist als am übrigen Kolbenschaft und die Ovalitäten stetig verlaufend ineinander übergehen. Durch die kleinere Ovalität entsteht im Bereich der durch die Bolzenachse gelegten horizontalen Ebene ein stark eingeschnürtes Tragbild, wodurch ein besseres Aufschwinmen auf dem Schmierfilm erreicht wird, so daß die Reibleistung verringert und sich günstigere Gleitverhältnisse ergeben. Die verbleibende große Tragbildbreite am unteren Ende des Kolbenschafts führt ferner infolge der kleineren Ovalität zu geringeren Schaftverformungen und -spannungen. Durch das in Laufrichtung in der Mitte des Kolbenschafts zusammenhängende Tragbild werden ein gleichmäßiges Abrollen des Kolbens beim Anlagewechsel und damit ein günstiges Geräuschverhalten sowie eine Kontrolle des Schmiermittelverbrauchs gewährleistet.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht der Druck- bzw. Gegendruckseite des Kolbens.

Fig. 2 einen Teilquerschnitt des Kolbens gemäß Fig. 1 entlang der durch die Kolbenbolzenebene gelegten Schnittlinie I-I.

Fig. 3 eine Teilseitenansicht des Kolbens von der Bolzenseite mit der Laufspielkurve im Kaltzustand.

Bei dem beispielsweise als sogenannter Kastenkolben ausgebildeten mit am Kolbenschaft 1 im Bereich der Ebene 2 des Kolbenbolzens vorgesehenen Aussparungen 3, 4 versehenen, eine ballig-ovale Außenform aufweisenden Leichtmetallkolben 5 sind die Bolzennaben 6, 7 gegenüber dem Schaftmantel zur Mitte hin zurückgesetzt. Die ballige Form des kalten Leichtmetall­ kolbens 5 entsteht durch den gekrümmten Verlauf der Laufspielkurve 8 , die am oberen Ende des Kolbenschafts 1 stärker gekrümmt als am unteren Schaftende ausgebildet ist. Der Kolbenschaft 1 weist an seinem oberen und unteren Endbereich 9, 10 eine kleinere Ovalität als im Bereich 11 der Ebene 2 des Kolbenbolzens auf, so daß sich im Motorbetrieb ein etwa diaboloförmiges Tragbild 12 ergibt.

Claims (1)

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit ballig-ova­ ler Außenform, dessen Kolbenschaft im Kaltzustand am obe­ ren Ende ein größeres Laufspiel als am unteren Ende auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ovalität im Be­ reich (11) der durch die Bolzenachse verlaufenden horizon­ talen Ebene (2) größer ist als am übrigen Kolbenschaft (1) und die Ovalitäten stetig verlaufend ineinander übergehen.