DE3935091A1 - Zweiteiliger kolben - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiteiligen oder gegliederten Kol­ ben für Innenverbrennungsmotoren der im Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1 genannten Art.

Der zweiteilige Kolben stellt einen wesentlichen Beitrag zur Verbesse­ rung des Betriebsverhaltens von Innenverbrennungsmotoren dar. Die Grundkonstruktion eines zweiteiligen Kolbens umfaßt ein Oberteil, oder ein Kopfteil, das im allgemeinen aus Gußeisen oder Stahl besteht und von dessen Unterseite sich einstückig angeschlossene Beine zur Lagerung eines Kolbenbolzens erstrecken, der das Kopfteil mit einem anderen Teil, dem Kolbenschaft, im allgemeinen aus Aluminium oder einer Aluminiumle­ gierung verbindet, welcher Schaft dazu bestimmt ist, den Kolben in der Zylinderlaufbuchse zu führen.

Der zweiteilige Kolben bietet verschiedene Vorteile. Ein entscheidender Vorteil ist die geringere Kopfhöhe und das damit verbundene geringere Spaltvolumen, d.h. das Volumen des Raumes, der durch die Kopffläche und die Zylinderwandung begrenzt ist, wodurch der Schadstoffausstoß des Motors verringert wird. Der Kolben ist aus Materialien mit geringem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten gefertigt, im allgemeinen Eisen oder Stahl, was zur Aufrechterhaltung von idealen Temperaturen für eine voll­ ständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beiträgt und somit ebenfalls zur Verringerung der Schadstoffemission. Die Verwendung von Eisen oder Stahl für das Kolbenoberteil macht dieses Bauteil im Hinblick auf die Wärmeausdehnungskoeffizienten kompatibel mit anderen Maschi­ nenbauteilen, wie beispielsweise die Zylinderwandung, den Zylinderkopf, die ebenfalls aus Eisen oder Stahl sind.

Es gibt noch viele andere Vorteile dieses Kolbentyps, wie beispielsweise die hohe Festigkeit des Kopfes, auch bei hohen Temperaturen, infolge des Materials, aus dem der Kopf in der Regel gefertigt ist. Der Kolben­ schaft, der im allgemeinen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, ist extrem leicht, und trägt somit zur Verringerung des Gesamt­ gewichts der Einheit bei.

Ein weiterer Vorteil des zweiteiligen oder gegliederten Kolbens ist, daß die Bauteile unabhängig voneinander sind und sich beim Betrieb des Kol­ bens im Motor nicht gegenseitig berühren. Die im Verbrennungsbereich er­ zeugte Hitze wird daher nicht von dem Kopf auf den Schaft übertragen, so daß es möglich ist, den Kolben in dem Zylinder mit extrem kleinem Spiel zu führen, was zu einer beträchtlichen Verringerung des Lärmpegels, sogar beim Kaltstart, beiträgt.

Zweigeteilte oder gegliederte Kolben eignen sich daher nach allgemeiner Auffassung hervorragend für Innenverbrennungsmotoren, insbesondere Die­ selmotoren, die eine große spezifische Leistung und einen geringen Emis­ sions- und Lärmpegel aufweisen. Zweigeteilte Kolben entsprechen daher den meisten höheren Betriebsanforderungen, einschließlich den strengen gesetzlichen Vorschriften bezüglich Schadstoffemission und Lärm. Wenn­ gleich der Kolben einem fortschrittlichen Bauprinzip entspricht, kann er zur Überwindung einiger Betriebsnachteile noch verbessert werden. Ein Problem, das bei allen zweiteiligen Kolben auftritt, resultiert aus der thermomechanischen Belastung, der die Kolbennaben ausgesetzt sind. Wenn der Kolben sich am oberen Totpunkt oder in der Nähe des oberen Totpunkts befindet, wird das Brennstoff-Luftgemisch verbrannt und erzeugt eine große thermomechanische Last, die auf die Kolbenbolzennaben übertragen wird, die sich von dem Kolbenkopf nach unten erstrecken und deren Aufgabe es ist, den Kolbenbolzen aufzunehmen.

Infolge der von dem Kopf auf die Kolbennaben übertragenen Last, neigen die letzteren dazu, sich nach außen in Richtung auf die Innenwand des Kolbenschaftes zu biegen, wodurch der Kolbenschaft gegen die Zylinder­ wand gedrückt wird. Diese Deformierungen setzen die Kolbennaben einer Strukturermüdung aus, wodurch ihre Standzeit verringert wird. Diese Deformierungen machen des weiteren einen wesentlich verstärkten Kol­ benbolzen erforderlich, der in der Lage ist, der Biegung zu widerstehen, die durch die aus dieser Deformation resultierenden Druckkräfte hervorge­ rufen wird. Diese bekannte Lösung ist nicht zu empfehlen, da sie zu einer Erhöhung des Gesamtgewichts der Einheit führt. Es gibt wenige Alternativen für die Verbesserung der Festigkeit der Kolbeneinheit und die meisten führen zu einer Gewichtsvergrößerung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen zweiteiligen Kol­ ben zu entwickeln, der sich durch verbesserte strukturelle Festigkeit aus­ zeichnet. Gleichwohl soll der Kolben billiger als derzeit bekannte zwei­ teilige Kolben herzustellen sein. Des weiteren soll der zweiteilige Kolben eine kleineres Spiel zwischen Kolbenschaft und Zylinder zulassen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspru­ ches 1 angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Prinzip, daß die Deformie­ rung der Kolbenbolzennaben durch Verwendung der Naben und der Kolbenbolzenstruktur selbst beeinflußt werden kann, statt die Kolbenbolzennaben oder den Kolbenbolzen zu verstärken, wie dies nach dem Stand der Technik üblich ist.

In der Tat wird erfindungsgemäß die Verwendung von kleineren und leichteren Kolbenbolzen ermöglicht, was zur Verringerung des Gewichtes der gesamten Einheit und folglich zur Verminderung des Kraftstoffver­ brauchs und der Motorenvibration beiträgt. Es besteht auch die Möglich­ keit, den Kolbenbolzen und die Breite der Kolbenbolzennaben infolge ihrer gesteigerten Lastaufnahmefähigkeit zu verringern, wodurch gewisse Beschränkungen bei der Bildung eines hydrodynamischen Ölfilms zwischen dem Kolben und der Zylinderwand beseitigt werden. Dem Fachmann ist bekannt, daß während der kritischen Deformierungen der Kolbenbolzennaben diese sich nach außen in Richtung auf die Zylinderwand deformieren, was zu einer Verbiegung des Kolbenbolzens führt. Es ist auch bekannt, daß vor dem Erreichen der maximalen Deformation die Kolbennaben über den Außendurchmesser des Kolbenbolzens wandern infolge der Fertigungstoleranzen zwischen dem Kolbenbolzen und den Kolbennaben. Dies ermöglicht, daß der Kolbenbolzen in den Kolbennaben gleitet und rotiert, was letztlich die Gleitbedingungen für die unerwünschte seitliche Deformation der Kolben­ naben erzeugt, was aus den durch den Verbrennungsprozeß am Kolbenkopf erzeugten Kompressionslasten resultiert. Der Mangel an jeglicher struk­ tureller Verstärkung in Richtung der Deformation der Kolbennaben ist auch verantwortlich für diese Deformation bei zweiteiligen Kolben.

Gemäß der Erfindung wird daher eine Steuerung und eine Beschränkung der Deformation der Kolbennaben, des Kolbenbolzens und des Kolbenschaftes von zweiteiligen oder gegliederten Kolben dadurch erreicht, daß das Spiel zwischen den Kolbennaben und dem Kolbenbolzen beseitigt wird, und daß die Baueinheit mit strukturellen Verstärkungsmitteln in der Hauptrichtung der lateralen Deformation der Kolbennaben, des Kolbenbolzens und des Kolbenschaftes versehen wird. Diese kombinierten Lösungen werden durch eine axiale Befestigung und eine rotationsmäßige Befestigung eines Halteteils zur Begrenzung der seitlichen Deformation der Kolbennaben erreicht. Dieses begrenzende Halteteil kann der Kolbenbolzen selbst sein. Die Befestigung, die durch physikalische oder chemische Mittel erreicht werden kann, führt zur Unterdrückung des Spiels zwischen den Kolbennaben und dem Kolbenbolzen, wenn der Kolbenbolzen selbst das begrenzende Halteteil ist. Diese konstruktive Lösung verleiht dem Kolbenbolzen selbst eine strukturelle Verstärkungswirkung, die genau in der Hauptrichtung der seitlichen Deformierung der Kolbennaben wirkt. Die Befestigung des Kolbenbolzens an die Kolbennaben bei zweiteiligen Kolben gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Weise erreicht werden, wobei jede für den speziellen Verwendungsfall konzipiert ist. Bei der Befestigung kann beispielsweise dem Umstand Rechnung getragen werden, daß der zwei­ teilige Kolben zu Wartungszwecken oder zum Austausch von Teilen ent­ fernt werden muß. Die Befestigung kann auch dauerhaft erfolgen, so daß folglich nicht mehr das Entfernen und Auseinandernehmen des Kolbens möglicht ist, beispielsweise bei sogenannten Einwegmotoren. Ein weiterer Vorteil bei zweiteiligen Kolben dieser Art liegt in der Möglichkeit, die Kolbenbolzen kürzer und leichter zu konstruieren. Bei dieser Bauweise kann auf die Bearbeitung der Kolbennabenlöcher, auf enge Fertigungstoleranzen, eine Oberflächenpolierung und Ringnuten zur Kolbenbolzenbefestigung verzichtet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines zweiteiligen Kolbens gemäß der Erfindung, wobei die Schnittebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse liegt;

Fig. 2 den Kolben gemäß Fig. 1 in einem Längsschnitt, mit Schnittebene längs der Kolbenbolzenachse;

Fig. 3 einen Längsschnitt eines zweiteiligen Kolbens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Schnittebene längs der Kol­ benbolzenachse liegt;

Fig. 4 einen Längsschnitt des Kolbens in Fig. 3, wobei die Schnittebene den Kolbenbolzen quer schneidet;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines zweiteiligen Kolbens ge­ mäß der Erfindung, wobei die Schnittebene längs der Kolbenbolzenachse liegt; dieses weitere Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ist insbesondere für Einwegmotoren vorgesehen;

Fig. 6 einen Längsschnitt des Kolbens in Fig. 5, wo­ bei die Schnittebene den Kolbenbolzen quer schneidet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweitei­ lige Kolben 1, der aus einem Kopfteil 2 und einem Kolbenschaft 3 be­ steht, mit einer Verbrennungsmulde 4 und einer Kühlkammer 5 versehen. Er weist einen Kolbenbolzen 6 auf, der in den Löchern 7 der Kolbennaben 8 durch den Druck befestigt ist, der durch das Anziehen von Schrauben 9 und Muttern 10 erzeugt wird, die gegen Ausnehmungen 40 des ringförmigen geschlitzten unteren Teils der Kolbennaben 8 drücken. Wenn sich der Kolben 1 in seinem oberen Totpunkt (nicht gezeigt) oder in dessen Nähe befindet, verbrennt das Brennstoff-Luft-Gemisch in der Ver­ brennungsmulde 4 und erzeugt eine thermomechanische Kraft, die den Kolben 1 nach unten in Richtung auf seinen unteren Totpunkt (nicht dargestellt) drückt. Bei konventionellen, zweiteiligen Kolben bewirkt diese thermomechanische Last, daß die Kolbennaben sich nach außen in Richtung auf die Zylinderwand (nicht gezeigt) deformieren. Bei dem Kol­ ben gemäß der Erfindung wird der thermomechanischen Belastung durch die verbesserte Struktur, die durch die Befestigung des Kolbenbolzens 6 in den Kolbennaben 8 mithilfe der Schraube 9 und der Mutter 10 (wie in Fig. 1 gezeigt) erreicht wird, widerstanden, wodurch die Deformierung der Kolbennaben, des Kolbenbolzens und des Kolbenschaftes verhindert wird. Wie in Fig. 2 gezeigt, können die Enden des Bolzens 6 mit Kappen 36 versehen sein, die in die lichte Weite des Kolbenbolzens 6 durch das Loch 37 im Kolbenschaft 3 eingepaßt sind.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel ist der zweiteilige Kolben 11, der einen Kolbenkopf 12 und einen Kolben­ schaft 13 sowie eine Verbrennungsmulde 14 und eine Kühlkammer 15 auf­ weist, mit einem Kolbenbolzen 16 versehen, der mit den Kolbennaben 18 in dem Teil 17 fest verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolbenbolzen 16 kürzer und leichter und die Einheit ist mit einem zusätzlichen Zapfen 50 versehen, der den Kolbenschaft 13 trägt und an diesem mithilfe von Klipsen oder Sprengringen 51 befestigt ist, die auf endseitigen Nuten 52 sitzen.

Die Befestigung des Zapfens 16 in den Löchern 17 wird durch Schweißen erreicht, beispielsweise durch Elektronenstrahl- oder Laserstrahl­ schweißung.

In einem weiteren, in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel, das für sogenannte Einwegmotoren vorgesehen ist, weist der Kolben 21, der mit einem Kopf 22, einem Schaft 23, einer Verbrennungsmulde 24 und einer Kühlkammer 25 ausgerüstet ist, einen Kolbenbolzen 26 auf, der fest mit den Kolbennaben 28 im Bereich der Löcher 27 durch ein Einpaßverfahren verbunden ist, bei dem die Nabenlöcher 27 auf eine Temperatur von etwa 60°C bis etwa 130°C aufgeheizt, dann der Bolzen 26 eingesetzt und die Einheit rasch gekühlt wird, wodurch eine sichere Befestigung des Bolzens in den Nabenlöchern erreicht wird. Wie bei den zuvor genannten Ausführungsbeispielen, verleiht diese Ausführungsform der Kolbeneinheit eine verbesserte strukturelle Festigkeit und vermindert die Deformierung der Kolbenbolzennaben.

Insgesamt ist ein zweiteiliger gegliederter Kolben für Innenverbrennungs­ motoren beschrieben, der ein Kopfteil aufweist, das aus einem Oberteil und einem Paar von Kolbenbolzennaben besteht, die einstückig mit diesem sind. Die Kolbeneinheit umfaßt des weiteren ein Schaftteil und einen Kolbenbolzen, der in Kolbennabenlöchern sitzt. Die Kolbennaben sind an einem Halteteil befestigt, das die seitliche Deformierung der Kolbennaben vermindert. Das Halteteil kann der Kolbenbolzen selbst sein, oder es kann durch einen zylindrischen Hohlzapfen dargestellt werden, der fest mit den Kolbennabenlöchern und dem Gehäuse des Kolbenbolzens verbunden ist. Die auf diese Weise erreichte Struktur verhindert die De­ formierung der Kolbenzapfennaben in Richtung auf die Zylinderwandung, wodurch der Kolbeneinheit eine höhere mechanische Festigkeit verliehen wird.

Claims (7)

1. Zweiteiliger Kolben für Innenverbrennungsmotoren mit einem Kopf­ teil (2; 12; 22), zu dem ein Paar von Kolbennaben (8; 18; 28) gehören, die sich vom unteren Ende des Kopfteils nach unten erstrecken und mit einer Bohrung (7; 17; 27) für den Kolbenbolzen versehen sind, mit einem unabhängigen Kolbenschaft (3; 13; 23) und mit einem Kolben­ bolzen (6; 16; 26) zur Befestigung des Kolbenschaftes auf den Kolbennaben, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbennaben (8; 18; 28) an einem die seitliche Bewegung der Kolbennaben vermindernden Halteteil befestigt sind, welches Halteteil zwischen den beiden Kolbennaben (8; 18; 28) längs der Kolbenbolzenachse angeordnet ist, wobei die Befestigung in solcher Weise ausgeführt ist, daß longitudinale und drehende Bewegungen des Halteteils verhindert werden.

2. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil (6; 26) der Kolbenbolzen ist.

3. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Enden der Kolbennaben (8) geschlitzt sind und mit Spann­ mitteln (9, 10, 40) versehen sind, die den Kolbenbolzen mit den Kolben­ naben (8) fest verbinden.

4. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Verbindung des Kolbenbolzens (26) mit den Kolbennaben (28) dadurch erreicht ist, daß die Nabenteile (28) erhitzt wurden, der Kol­ benbolzen (26) in die Naben (28) eingepaßt wurde und die Anordnung rasch abgekühlt worden ist.

5. Zweiteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteteil aus einer zylindrischen Hohlwelle besteht, die endseitig mit den Nabenteilen verbunden ist, welche zylindrische Hohlwelle den Kolben­ bolzen aufnimmt.

6. Zweiteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (3; 23) direkt auf den Enden des Kolbenbolzens (6; 26) befestigt ist.

7. Zweiteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (3) auf den Enden des Kolbenbolzens (6) mithilfe von in die Enden des Kolbenbolzens (6) eingepaßten Kappen (36) befestigt ist.