DE68919074T2

DE68919074T2 - Maschinenkolbenzusammenbau und dessen geschmiedeter kolben mit kühlraum.

Info

Publication number: DE68919074T2
Application number: DE68919074T
Authority: DE
Inventors: Bruce Cooper; Kenton Erickson; James Green; David Nycz
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2009-02-24
Also published as: CA1322500C; DE68919074D1; CN1041990A; BR8907412A; US4867119A; AU3215889A; JP2703081B2; EP0398993B1; CN1019892C; JPH03502720A; EP0398993A1; WO1990004712A1; AU624367B2

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine kompakte Motorkolbenanordnung für einen Verbrennungsmotor mit hoher Ausgangsleistung und insbesondere auf einen Stahlkolbenglied, das in der Lage ist, relativ hohen Verbrennungskammerdrücken und -temperaturen zu widerstehen und welches (maschinen-)bearbeitete Drehoberflächen besitzt.

Stand der Technik

In den letzten Jahren wurde verstärkt Wert gelegt auf die Konstruktion von Motoren, die eine verbesserte Brennstoffwirtschaftlichkeit und -wirksamkeit, verminderte Emissionen, eine größere Lebensdauer und erhöhte Leistungsabgabe pro Zylinder besitzen. Der Trend führt zu zunehmend strengeren mechanischen und thermischen Anforderungen an das Kolbenglied. Der Kronenbereich eines Kolbenglieds wird durch die Mischung aus brennendem Brennstoff und Luft erhitzt. Die Kolbenanordnung einschließlich der Kolbenringe muß wirksamen Kontakt mit der Zylinderbohrung herstellen, um den Austritt heißer Verbrennungsgase zu verhindern und um Schmieröl unter allen Betriebsbedingungen zu kontrollieren oder zu steuern. Die Temperatur und die Verbrennungsdrücke an dem Kolbenglied müssen insbesondere innerhalb vorgeschriebener Materialgrenzen sowie struktureller und thermischer Grenzen bleiben, anderenfalls wird sich ein frühzeitiges Versagen ergeben.
Die gekühlte Verbund-Kolbenanordnung, die in dem US-Patent Nr. 4,581,983, ausgegeben an H. Moebus am 15. April 1986, gezeigt ist, stellt eine Konfiguration dar, die solchen erhöhten Leistungsabgabeniveaus widerstehen kann. Jedoch sind die oberen und unteren Teile davon durch Schweißen miteinander verbunden, und dies ist ein kostspieliges Verfahren, daß vorzugsweise vermieden werden sollte.
Eine erstrebenswertere Art der Kolbenanordnung ist im US- Patent Nr. 4,056,044, ausgegeben an Kenneth R. Kamman am 1. November 1977, gezeigt. Das Kamman-Patent, das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung gehört, lehrt die Verwendung einer gelenkigen Kolbenanordnung mit einem oberen Kolbenglied und einer unteren Schürze oder Schaft, die individuell schwenkbar mit einem gemeinsamen Schwenkoder Gelenkstift verbunden sind. Öl, das durch eine Rinne oder einen Trog in dem Schaft geleitet wird, wird vorteilhafterweise in einer turbulenten "Cocktail-Schüttel- "Wirkung gegen eine Ausnehmung in der Unterseite der Kronenoberfläche benachbart zu den Ringnuten gespritzt zum Kühlen des Kolbeninneren. Nachfolgendes gründliches Testen mit Gußelementen hat gezeigt, daß der praktische Wissensstand über Gießtechniken ungenügend ist, um Verbrennungsdrücken oberhalb von ungefähr 13 790 kPa (2000 psi) zu widerstehen. Insbesondere besaßen eine übermäßige Anzahl von oberen Gußstahlkolbengliedern eine dermaßen große Porosität, daß sich daraus ein vorzeitiges Versagen ergab. Andererseits wurden einige wenige Gußstahlkolbenglieder mit relativ niedrigen Porositätsniveaus hergestellt, so daß sie ein relativ rigoroses Testprogramm überstanden. Während ausgedehnte Studien unternommen wurden, die Porositätsniveaus in den Gußgliedern zu minimieren, blieben die Niveaus zu hoch. Eine Art des Überprüfens der Porosität ist es, den Kolben vollständig zu röntgen, was nicht nur vom Kostenstandpunkt her nicht akzeptabel ist, sondern auch nicht garantiert, daß der Kolben vollständig frei von Porosität ist.
Zusätzlich zu den Betrachtungen betreffend die Porosität sollte erkannt werden, daß die strukturelle Gestalt und Festigkeit jedes Elements einer gelenkigen Kolbenanordnung in einem kontinuierlichen Zustand der Modifizierung ist, um höheren Druckbelastungen und thermisch induzierten Kräften besser zu widerstehen. Beispielsweise gibt Society of Automotive Engineers, Inc. Artikel Nr. 770031 von M. D. Roehrle mit dem Titel "Pistons for High Output Diesel Engines", das ungefähr am 28. Februar 1977 vorgestellt wurde, eine Anzeige von der großen Anzahl von Labortests, die in der ganzen Welt an den einzelnen Elementen durchgeführt werden. Dieser Artikel diskutiert auch eine Anzahl von Betrachtungen zur Minimierung von Riß oder Bruchproblemen bei Leichtlegierungs- oder Aluminiumkolbengliedern, die sich in erster Linie aus thermischen Beschränkungen geben, und zeigt einen Kolben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
US-A-4 662 047 zeigt einen einstückigen Kolben, der durch Form- oder Gesenkpressen eines vorher geschmiedeten Rohlings hergestellt wurde, um einen ringförmigen zylindrischen Kragen darauf zu biegen. Ein geschmiedeter Kolben kann die Fähigkeit bieten, hohen Verbrennungskammerdrücken und -temperaturen zu widerstehen; jedoch ist das Schmieden von Teilen mit relativ dünnen Wandabschnitten, welche extrem enge dimensionsmäßige Toleranzen besitzen, und das Bilden von engen und tiefen Hohlräumen mit präzisen relativen Anordnungen sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Daher sind es häufig die Herstellungstoleranzen, die das Schmieden der dünnen Wandabschnitte und der engen tiefen Hohlräume beschränken oder verhindern, die so dringend benötigt werden für bessere Wärmedissipation oder -abgabe. Komplexere Formen und sich ändernde Wanddicken können auch eine ungleiche Wärmeverteilung und differentielle thermische Verzerrung oder Verwindung des Kolbens ergeben; daher ist es ein weiteres Ziel, die Konstruktion so weit wie möglich zu vereinfachen, einschließlich der Maximierung der Symmetrie davon um die Mittelachse herum.
Ein weiteres zu betrachtendes Problem ist, daß die relativ rauhe Oberflächenbeschaffenheit (finish), die durch den Schmiedevorgang erzeugt wird, Belastungskonzentrationen hervorrufen kann und dies ist insbesondere kritisch bei den Flächen oder Gebieten des Kolbenglieds mit hoher Belastung, wie beispielsweise bei den dünnen Wandabschnitten und Hohlräumen. Oft können diese Riß- oder Bruchfortpflanzungsgebiete nicht detektiert werden, was katastrophale Folgen haben kann.
Es wird daher eine Hochleistungsmotor-Kolbenanordnung benötigt mit einem Kolbenglied, das in der Lage ist, kontinuierlich und wirksam bei Verbrennungskammerdrücken oberhalb von ungefähr 13 790 kPa (2000 psi) zu arbeiten und vorzugsweise im Bereich von ungefähr 15 170 kPa (2200 psi). Ferner sollte das Kolbenglied vorzugsweise aus einem Legierungsstahlmaterial geschmiedet sein mit einer Konfiguration, die im wesentlichen frei ist von komplexen Formen, um das Schmieden davon zu gestatten. Darüber hinaus sollte der Bereich des oberen Teils des Kolbenglieds und insbesondere der Kühlausnehmungsbereich vorzugsweise relativ dünne, im wesentlichen konstante Wanddicken für im wesentlichen gleiche Wärmeverteilung und für maximale Kühlung der Oberflächen besitzen. Auch sollten die Oberflächen der Kühlausnehmungen (maschinen-)bearbeitete Drehoberflächen sein für präzise Abmessungssteuerung oder -kontrolle zwischen benachbarten Oberflächen und insbesondere zwischen dem Kühlkanal und den Ringnuten. Das Kolbenglied wird vorzugsweise symmetrische Drehoberflächen um die Mittelachse herum umfassen, wobei die Oberflächen frei von Fehlern oder Unvollkommenheiten sind, die das Fortpflanzen von Rissen oder Brüchen bewirken können, und so daß differenzielle thermische Verzerrung oder Verwindung vermieden werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der obengenannten Probleme zu überwinden.
Bisher hat der Aninelder einen zweiteiligen, mittels Bolzen verbundenen Kolben hergestellt, der als der "3600 Kolben" ("3600 piston") bekannt ist, der im allgemeinen ähnlich zu dem der obengenannten US-A-4 581 983 ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kolbenanordnung vorgesehen, die ein oberes, geschmiedetes, einstückiges Stahlkolbenglied und ein unteres Aluminium-Schaft- oder Schürzenglied aufweist, wobei das obere Kolbenglied folgendes aufweist:
einen oberen Teil mit einer im wesentlichen zylindrischen Form und mit einer Mittelachse, einer Oberseite, einer rohrförmigen Wand, die von der Oberseite herabhängt und integral mit dem oberen Teil geschmiedet ist, wobei die rohrförmige Wand eine Umfangsnut, die geeignet ist einen Dichtring aufzunehmen, eine untere Endoberfläche und eine nach innen weisende Wandoberfläche aufweist, die sich von der unteren Endoberfläche nach oben erstreckt;
wobei der obere Teil ferner eine nach außen weisende Wandoberfläche, die von der nach innen weisenden Wandoberfläche beabstandet ist, und einen nach unten weisenden Übergangsteil umfaßt, welche die nach innen weisende und die nach außen weisende Wandoberfläche glatt bzw. weich verbindet, um gemeinsam bzw. insgesamt eine ringförmige Kühlausnehmung zu definieren;
wobei die Glieder durch einen Stift gelenkig aneinander angebracht sind für eine Hin- und Herbewegung in einem Motor;
wobei der Übergangsteil innerhalb eines Gebiets positioniert ist, das durch die Oberseite des oberen Kolbenglieds (Kolbenboden) und durch die Ebene der Umfangsnut begrenzt wird und sich dicht benachbart zu der Umfangsnut befindet, um ein wirksames Entfernen bzw. Abführen von Wärme von dem Bereich der Umfangsnut vorzusehen; und dadurch gekennzeichnet, daß
die nach innen weisende und die nach außen weisende Wandoberfläche und der nach unten weisende Übergangsteil (maschinen-)bearbeitete Drehoberflächen um die Mittelachse sind; und
die Umfangsnut mit einem Abstand von ungefähr 5 mm von der Oberseite des Kolbens angeordnet ist.
Ein Beispiel einer Kolbenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische, fragmentarische, vertikale Querschnittansicht der Kolbenanordnung ist;
Fig. 2 eine vertikale Längsschnittansicht eines Teils der in Fig. 1 gezeigten Kolbenanordnung entlang der Linie II-II davon ist;
Fig. 3 ein vergrößerter fragmentarischer Teil des oberen Umfangsbereichs des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kolbenglieds, um Einzelheiten der Konstruktion davon besser zu zeigen;
Fig. 4 eine Draufsicht des in Fig. 2 gezeigten Kolbenglieds entlang der Linie IV-IV davon ist;
Fig. 5 eine Schnittansicht von nur dem in Fig. 2 gezeigten Kolbenglied entlang der Linie V-V davon ist;
Fig. 6 eine Draufsicht von nur dem in Fig. 2 gezeigten Kolbenschaft entlang der Linie VI-VI davon;
Fig. 7 eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht des oberen Umfangsbereichs des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kolbenglieds, wobei die Ansicht die Flußlinien eines einfach geschmiedeten Kolbenglieds zeigt, bei dem nur ein Teil der Kühlausnehmung geschmiedet ist; und
Fig. 8 eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht des oberen Umfangsbereichs des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Kolbenglieds, wobei die Schnittansicht die Flußlinien eines geschmiedeten Kolbenglieds mit einer tiefgeschmiedeten Kühlausnehmung zeigt.

Beste Art der Ausführung der Erfindung

Mit Bezug nun auf die Fig. 1 und 2 umfaßt ein Dieselmotor 10 von der Mehrzylinderbauart einen unteren Block 12, einen oberen Block oder Abstandsteil 14 und einen Zylinderkopf 16, die in der üblichen Weise durch eine Vielzahl von Befestigern oder Bolzen 18 starr aneinander befestigt sind.
Eine in der Mitte unterstützte oder getragene Zylinderauskleidung 48 besitzt einen zylindrischen oberen Teil 52, der in stabilisierender Weise durch den oberen Block 14 getragen wird und eine Kolbenbohrung 54 mit einer Mittelachse 66 definiert. Diesbezüglich sei auf US-Patent Nr. 4,638,769, ausgegeben an B. Ballheimer am 27. Januar 1987, verwiesen, das die Merkmale und Vorteile des mehrstückigen Zylinderblocks weiter beschreibt, wobei die mittig getragene oder unterstützte Auskleidung darin offenbart ist. Der Motor könnte jedoch auch jegliche herkömmliche Konstruktion besitzen.
Der Dieselmotor 10 umfaßt ferner erste und zweite Kühlölrichtdüsen 74 und 75, wie es im unteren rechten Teil von Fig. 1 gezeigt ist. Die erste Düse 74 ist starr am unteren Block 12 befestigt oder gesichert und ist betriebsmäßig mit einer herkömmlichen, nicht gezeigten Druckölguelle assoziiert, um einen schmalen Strahl von Motorschmieröl im wesentlichen vertikal in einen vorgewählten Bereich einer gelenkigen Kolbenanordnung 76 zu liefern. Die zweite Düse 75 ist auch am unteren Block gesichert oder befestigt, aber ist aus der Vertikalrichtung winklig weg geneigt, um einen Strahl von Kühlöl auf einen anderen Bereich der Kolbenanordnung 76 auftreffen zu lassen.
Die gelenkige Kolbenanordnung 76 des Dieselmotors 10 umfaßt ein geschmiedetes oberes Stahlkolbenglied 78 und einen unteren, geschmiedeten Aluminiumkolbenschaft 80, die gelenkig auf einem gemeinsamen Stahl-Schwenk- oder -gelenksift oder Kolbenbolzen 82 mit einer in Längsrichtung orientierten Mittelachse 84 angebracht sind. Eine herkömmliche Verbindungsstange 90 mit einem oberen Ringoder Ösenende 92 und einem stahlverstärkten Bronzehülsenlager 94 darin ist betriebsmäßig mit dem Gelenkstift 82 verbunden und wird von diesem angetrieben.
Wie am besten in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, besitzt das Stahlkolbenglied 78 einen oberen Teil 96 von im wesentlichen zylindrischer Form und einem vorgewählten maximalen Durchmeser "D", wie es gezeigt ist. Der obere Teil 96 besitzt eine vollständig (maschinen-)bearbeitete Umfangsoberseite 98, die flach ist oder auf einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse 66 angeordnet ist, sowie eine ausgenommene oder zurückgesetzte symmetrische Kronenoberfläche 100, die in dem vorliegenden Beispiel eine vollständig (maschinen-)bearbeitete Drehoberfläche um die Mittelachse 66 herum ist. Im allgemeinen besitzt die Kronenoberfläche 100 einen mittig angeordneten Scheitelteil 102, der höhenmäßig unterhalb der Oberseite 98 angeordnet ist, eine umfangsmäßige oder äußere Axialoberfläche 104 und eine ringförmige Rinne oder einen ringförmigen Trog 106, die bzw. der weich oder glatt in den Scheitel 102 und die Axialoberfläche 104 übergeht. Wie am besten in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt das Kolbenglied 78 ferner eine relativ dünne rohrförmige Wand 108, die von der Außenkante der Oberseite 98 herabhängt. Die Gesamthöhe, die durch die Buchstabhen "LH" der rohrförmigen Wand 108 in dem vorliegenden Beispiel bezeichnet wird, war 31 mm. Die rohrförmige Wand definiert in nacheinander herabhängender Reihenfolge vollständig um den Umfang davon einen ersten oder oberen Steg 110, eine obere Ringnut 112 mit einer trapez- oder keilartigen Form im Querschnitt, einen zweiten oder oberen Zwischensteg 114, eine Zwischenringnut 116 mit rechteckigem Querschnitt, einen dritten oder unteren Zwischensteg 118, eine untere Ringnut 120 mit rechteckigem Querschnitt, und einen vierten oder unteren Steg 122, der durch eine untere, radiale, vollständig (maschinen-)bearbeitete Endwandoberfläche 124 begrenzt wird. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel war der maximale höhenmäßige Abstand zwischen der Oberseite 98 und der oberen Ringnut 112, der durch die Buchstaben "TRH" bezeichnet wird, 5 mm. Eine ringförmige, im allgemeinen axiale, nach innen weisende, verjüngte Wandoberfläche 126 wird auch durch die Wand 108 begrenzt und erstreckt sich von der Endwandoberfläche 124 nach oben.
Der Körperteil 96 des Kolbenglieds 78 wird zusätzlich definiert durch eine ringförmige, radial nach außen weisende Wandoberfläche 128, die von der nach innen weisenden Wandoberfläche 126 radial nach innen beabstandet ist, und einen nach unten weisenden Übergangswandteil 130, der in anpassender oder übergehender Weise mit den Wandoberflächen 126 und 128 assoziiert ist, um gemeinsam bzw. insgesamt eine ringförmige Kühlausnehmung 132 mit einer präzise definierten Querschnittsform zu definieren. Es sei bemerkt, daß das obere Ende der Kühlausnehmung 132 in einer nebeneinanderliegenden höhenmäßigen Beziehung mit dem oberen Ende der Ringnut 112 ist. Sie ist auch höhenmäßig direkt unterhalb der umfangsmäßigen Oberseite 98 des Kolbenglied 78 angeordnet und innerhalb eines höhenmäßigen Abstands davon, der durch den Buchstaben "E" bezeichnet wird. In einem Ausführungsbeispiel war der Abstand "E" ungefähr 5,5 mm.
In Wirklichkeit wird die Wandoberfläche 128 des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch einen oberen, vollständig konischen Teil 134 definiert mit einem Neigungswinkel "A" bezüglich der Mittelachse 166 von ungefähr 12,330, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und einem vollständig zylindrischen Teil 136 darunter. Andererseits ist die Wandoberfläche 126 vollständig konisch und besitzt einen Neigungswinkel "B" von ungefähr 1,170. Die nach innen weisende Wandoberfläche 126, die nach außen weisende Wandoberfläche 128 und der nach unten weisende Übergangswandteil 130 sind alles vollständig (maschinen-) bearbeitete Drehoberflächen. Es sei bemerkt, daß die radiale Dicke zwischen der nach innen weisenden Wandoberfläche 126 und dem innersten Teil der oberen Nut 112 geringfügig größer ist als die radiale Dicke zwischen der gleichen Wandoberfläche und dem innersten Teil der Dichtringnut 116. Daher ist die letztere radiale Dicke die kritischste Abmessung und in dem vorliegenden Beispiel war der minimale annehmbare Wert davon 1,74 mm. Vorzugsweise ist dieser Wert 3 oder 4 mm. Die Dichtungsnuten 112, 116 und 120 sind alle vollständig (maschinen-) bearbeitete Drehoberflächen, so daß die kritischen Querschnitte radial nach innen davon auch genau gesteuert oder kontrolliert werden.
Als Alternative könnte die ringförmige Kühlausnehmung 132 jegliche zu schmiedende Konfiguration besitzen, wie beispielsweise die in Fig. 7 gezeigte, flache Ausnehmung oder als eine Alternative die in Fig. 8 gezeigte tiefe Ausnehmung. Wie ferner in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, sind die Kornflüsse, die durch die unterschiedlich tiefen Ausnehmungen erhalten werden, mittels unterbrochener Linien gezeigt. In der in Fig. 8 gezeigten alternativen Anordnung mag es nur notwendig sein, daß die nach innen weisende Wandoberfläche 126 eine (maschinen-)bearbeitete Drehoberfläche ist, so daß der kritische Querschnitt zwischen der Oberfläche und der Dichtringnut 116 präzise kontrolliert oder gesteuert wird.
Die Kolbenanordnung 76 umfaßt auch einen oberen Spalt-Kompressionsring 138 in der Form eines Schlußsteins oder Trapezes, der in der oberen Ringnut 112 aufgenommen wird, einen mittleren Spalt-Kompressionsring 140 mit einem abgestuften rechteckigen Querschnitt, der in der mittleren Ringnut 116 aufgenommen wird, und eine Ölringanordnung 142, die in der unteren Ringnut 120 aufgenommen wird.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, besitzt das Stahl kolbenglied 78 auch einen unteren Teil 158 einschließlich eines Paars von herabhängenden Stiftansätzen oder -vorsprüngen 160, die in übergehender Weise mit der nach außen weisenden Wandoberfläche 128 der Kühlausnehmung 132 assoziiert werden und auch in übergehender Weise mit einer nach unten weisenden konkaven Tasche 162 assoziiert werden, die durch den unteren Teil definiert wird und auf der Achse 66 zentriert ist. Die konkave Tasche ist im wesentlichen gleichförmig von dem Scheitelteil 102 der Kronenoberfläche 100 beabstandet, um eine relativ dünne Krone 164 mit allgemein gleichförmiger Dicke "C" zu definieren, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Beispielsweise war die Dicke "C" in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ungefähr 5 oder 6 mm. Ein relativ dünner und im wesentlichen konisch orientierter Steg oder eine solche Wand 166 mit einer minimalen Dicke "W" ist zwischen der Rinne bzw. dem Trog 106 und der daneben liegenden ringförmigen Kühlausnehmung 132 definiert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel war die Dicke "W" ungefähr 4 bis 7 mm. Jeder der Stiftvorsprünge 160 besitzt eine Bohrung 168 dahindurch, die geeignet sind, jeweils bzw. individuell eine stahlverstärkte Bronzelagerhülse 170 darin aufzunehmen. Diese Lagerhülsen 170 sind axial ausgerichtet, um den Gelenkstift oder Kolbenbolzen 82 schwenkbar darin aufzunehmen.
Mit Bezug nun auf die Fig. 1, 2 und 6 besitzt der Kolbenschaft 80 eine obere Umfangsoberfläche 172 in enger, nicht kontaktierender Beziehung mit der unteren Endwandoberfläche 124 des oberen Kolbesglieds 78, und zwar mit einer vollständig ringförmigen, nach oben weisenden Kühlmittelrinne 174, die darin definiert ist. Sie besitzt ferner eine leicht elliptische Außenoberfläche 176 daherum, die von der Oberseite 172 herabhängt. Ein Paar von ausgerichteten Bohrungen 178 zur Aufnahme des Schwenkstifts oder Kolbenbolzens sind durch den Kolbenschaft 80 hindurch gebildet. Der Kolbenschaft 80 ist somit gelenkig auf dem Schwenkstift 82 angebracht, der einsetzbar in beiden Bohrungen 178 positioniert ist.
Ein Paar von axial orientierten Ansätzen oder Vorsprüngen 184 ist innerhalb des Schafts 80 definiert, so daß ein entsprechendes Paar von Schmiermitteldurchlässen 186 vollständig axial dahindurch vorgesehen werden kann. Die Schmiermitteldurchlässe 186 sehen eine Verbindung mit der Ölrinne 174 und der Kühlausnehmung 132 vor. Die Schmiermitteldurchlässe 186 sind diagonal einander gegenüberliegend positioniert, so daß der Schaft 80 auf dem Schwenkstift 82 in jeder von zwei möglichen Positionen angebracht werden kann, und daher wird mindestens einer davon mit der ersten Ölstrahldüse 74 axial ausgerichtet sein. Der Schaft 80 ist auch mit diagonal gegenüberliegenden, halbzylindrischen Ausnehmungen 188 versehen, die sich am Boden des Schafts nach unten öffnen, um einen Freiraum von den Düsen 74 und 76 vorzusehen, wenn der Schaft in seine höhenmäßig niedrigste Position bewegt wird.

Industrielle Anwendbarkeit

Das einzigartige, geschmiedete Stahlkolbenglied 78 in dieser Anmeldung wird mit einer gelenkigen Kolbenanordnung 76 verwendet. Die gelenkige Kolbenanordnung 76 wird in einem Motor 10 mit hohem Verbrennungskammerdruck, und zwar mit einem Verbrennungskammerdruck von ungefähr 15 170 kPa (2200 psi) verwendet. Das Kolbenglied 78 gestattet, daß die spezifische Ausgabe bzw. Leistung erhöht wird. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die gelenkige Kolbenanordnung 76 mit einem Motor 10 verwendet, der eine Konstruktion mit einer mittig getragenen oder unterstützten Zylinderauskleidung 48 und einem zweistückigen Zylinderblock 12, 14 besitzt.
Beim Betrieb leitet die erste Düse 74 während Hin- und Herbewegung der Kolbenanordnung 76 Schmieröl in den damit ausgerichteten Schaftdurchlaß 186. Der Ölstrahl geht nach oben weiter, woraufhin er mit der nach innen weisenden Wandoberfläche 126, der nach außen weisenden Wandoberfläche 128 und dem nach unten weisenden Wandteil 130 in Kon-15takt kommt, die gemeinsam bzw. insgesamt die ringförmige Kühlausnehmung 132 des oberen Teils 96 des Kolbenglieds 78 definieren. Ein erheblicher Teil des Öls wird durch die Schaftrinne 174 eingefangen, wenn die Kolbenanordnung hin- und herbewegt wird, wobei es vorteilhafterweise in einer turbulenten "Cocktail-Schüttel-" Wirkung verspritzt wird und die Umfangsoberflächen 126, 128 und 130 der Kühlausnehmung 132 und somit den Steg 166 und die relativ dünne rohrförmige Wand 108, die die Ringnuten 112, 116 und 120 definiert, kühlt. Gleichzeitig leitet die zweite Düse Öl in einer schmalen Säule bzw. einem schmalen Strahl gegen die Verbindungsstange (Pleuelstange) 90 und gegen die konkave Tasche 162 oder die Unterseite der Krone 164.
Mit Bezug auf Fig. 3 sei bemerkt, daß das obere Ende der Kühlausnehmung 132 in nebeneinanderliegender, höhenmäßiger Beziehung mit dem oberen Ende der Ringnut 112 ist. Sie ist auch höhenmäßig direkt unterhalb der umfangsmäßigen Oberseite 98 des Kolbensglieds 78 angeordnet und innerhalb eines höhenmäßigen Abstands davon, der durch den Buchstaben E bezeichnet ist. In einem Ausführungsbeispiel war der Durchmesser D 124 mm und der Abstand E war ungefähr 5,5 mm. Somit werden relativ dünne, im wesentlichen konstante Wanddicken für im wesentlichen gleichmäßige Wärmeverteilung und für maximale Kühlung geschaffen. Die innere Wandoberfläche 126 ist eine (maschinen-)bearbeitete Drehoberfläche um die Mittelachse 66 herum, die eine präzise dimensionsmäßige Steuerung oder Kontrolle und Konzentrizität zwischen dem Boden der Ringnut 112, 116 und 120 und der Wandoberfläche gestattet. Dimensionsmäßige Kontrolle oder Steuerung und Konzentrizität zwischen den Böden der Ringnuten und der Oberfläche 126 und insbesondere dem Boden der Ringnut 116, der am nächsten zu der Oberfläche 126 ist, ist extrem kritisch, weil jegliche Abweichung die rohrförmige Wand 78 materialmäßig bzw. erheblich schwächen kann, was Reißen bzw. Brechen, ungleichmäßige Wärmeverteilung und/oder differentielle thermische Verzerrung oder Verwindung ergibt. Daß die nach innen weisende Wandoberfläche 126, die nach außen weisende Wandoberfläche 128 und der nach unten weisende Teil 130, die die Kühlausnehmung 132 definieren, alle (machinen-)bearbeitete Drehoberf lächen um eine Mittelachse 66 herum sind, beseitigt jegliche Unvollkommenheiten oder Fehler, die die Fortpflanzung von Rissen oder Brüchen und differentielle thermische Verzerrung oder Verwindung bewirken könnten. Durch Bearbeiten der Oberflächen 126 und 128 und der nach unten weisenden Wand 130, können die Wanddicken, Konzentrizität und Oberflächenbeschaffenheiten (finish) präzise gesteuert oder kontrolliert werden. Alternativ dazu kann es bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung mit einer tiefgeschmiedeten Ausnehmung 132 nur notwendig sein, daß die nach innen weisende Wandoberfläche 126 eine (maschinen-)bearbeitete Drehoberfläche ist für dimensionsmäßige Steuerung oder Kontrolle und Konzentrizität bezüglich der Böden der Ringnuten 112, 116 und 120, und insbesondere der am nächsten liegenden Ringnut 116. Zusätzlich zu den obengenannten dimensionsmäßigen Einschränkungen ist zu beachten, daß die gelenkige Kolbenanordnung 76 vorzugsweise in einer besonderen Art hergestellt wird, und zwar ohne komplexe Formen und unter Verwendung bestimmter Materialien. Insbesondere wird das obere Stahlkolbenglied 78 vorzugsweise aus einem Chrom- Molybdän-Legierungsstahlmaterial gechmiedet, wie beispielsweise einem modifizierten 4140 Stahlmaterial. Der untere Aluminiumkolbenschaft 80 ist in ähnlicher Weise vorzugsweise geschmiedet aus einem Legierungs-Aluminium- Material, wie beispielsweise einem modifizierten SAE 321- T6 Aluminiummaterial.
Der obengenannte Legierungsstahl ist insbesondere geeignet für Schmiedverfahen der Klasse 11 und kann eine austenitische Korngröße von 5 oder feiner vorsehen, was höchst wünschenswert ist, um den hohen Kompressionsdrücken von oberhalb ungefähr 13 790 kPa (2000 psi) und vorzugsweise oberhalb ungefähr 15 170 kPa (2200 psi) zu widerstehen. Geätzte Querschnittsproben des geschmiedeten Stahlkolbenglieds haben gezeigt, daß die Kornflußlinien darin allgemein oder in weiterem Sinne in einer umgekehrt U-förmigen Konfiguration orientiert sind, die ungefähr der Form des in den Fig. 3, 6 und 7 gezeigten Kolbengliedteils angenähert ist und/oder ungefähr die Kornflußlinien mit dem Steg 166 und der rohrförmigen Wand 108 ausrichtet, und dies trägt wesentlich zu der Querschnittsfestigkeit davon bei.
Die genannte geschmiedete Aluminiumlegierung besitzt eine große Härte, ausgezeichneten Abnutzungswiderstand und einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Claims

1. Kolbenanordnung, die ein oberes, geschmiedetes, einstückiges Stahlkolbenglied (78) und ein unteres Aluminium-Schaft- oder -Schürzenglied (80) aufweist, wobei das obere Kolbenglied folgendes aufweist:

einen oberen Teil mit einer im wesentlichen zylindrischen Form und mit einer Mittelachse (66), einer Oberseite (98), einer rohrförmigen Wand (108), die von der Oberseite herabhängt und integral mit dem oberen Teil geschmiedet ist, wobei die rohrförmige Wand eine Umfangsnut (112), die geeignet ist, einen Dichtring (138) aufzunehmen, eine untere Endoberfläche (124) und eine nach innen weisende Wandoberfläche (126) aufweist, die sich von der unteren Endoberfläche nach oben erstreckt;

wobei der obere Teil ferner eine nach außen weisende Wandoberfläche (128), die von der nach innen weisenden Wandoberfläche beabstandet ist, und einen nach unten weisenden Übergangsteil (130) umfaßt, welcher die nach innen weisende und die nach außen weisende Wandoberfläche glatt bzw. weich verbindet, um gemeinsam bzw. insgesamt eine ringförmige Kühlausnehmung zu definieren;

wobei die Glieder durch einen Stift (82) gelenkig aneinander angebracht sind für eine Hin- und Herbewegung in einem Motor;

wobei der Übergangsteil innerhalb des Gebiets positioniert ist, das durch die Oberseite des oberen Kolbenglieds (Kolbenboden) und durch die Ebene der Umfangsnut begrenzt wird und sich dicht benachbart zu der Umfangsnut befindet, um ein wirksames Entfernen bzw. Abführen von Wärme von dem Bereich der Umfangsnut vorzusehen; und

dadurch gekennzeichnet, daß

die nach innen weisende und die nach außen weisende Wandoberfläche und der nach unten weisende Übergangsteil (maschinen-)bearbeitete Drehoberflächen um die Mittelachse sind; und

die Umfangsnut mit einem Abstand von ungefähr 5 mm von der Oberseite des Kolbens angeordnet ist.

2. Kolbenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei das obere Kolbenglied ferner einen unteren Teil umfaßt, der ein Paar von herabhängenden Stiftvorsprüngen umfaßt, die glatt bzw. weich in die Kühlausnehmung übergehen und jeweils einzeln eine Bohrung definieren, und wobei die Bohrungen entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind.

3. Kolbenanordnung gemäß Anspruch 2, wobei der obere Teil und der untere Teil ein integrales oder einstückiges Schmiedeteil sind.

4. Kolbenanordnung gemäß Anspruch 3, wobei das für das obere Kolbenglied verwendete Material ein Chrom- Molybdän-Stahl ist.

5. Gelenk-Kolbenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der obere Teil eine ausgenommene Kronenoberfläche definiert, die (maschinen-)bearbeitete Drehoberflächen um die Mittelachse enthält, so daß ein relativ gleichförmiger Steg zwischen der Kronenoberfläche und der Kühlausnehmung definiert wird.

6. Gelenk-Kolbenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei die minimale radiale Dicke zwischen der Kühlausnehmung und dem innersten Teil der Umfangsnut ungefähr 1,74 mm ist.