DE963912C - Light metal pistons for internal combustion engines - Google Patents

Description

Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Um laufruhige Motoren zu erhalten, hat man schon seit langem Mittel angewendet, welche das Wärmedehnungsbestreben der Leichtmetallkolben wenigstens örtlich hemmen. Unter anderem sind in die Schäfte der Leichtmetallkolben, insbesondere in dem dem Kolbenkopf zugewandten, heißeren Schaftende Einlagen in Form von geschlossenen Ringen oder Hülsen aus Stahl eingegossen worden, die an den betreffenden Stellen eine einschnürende Wirkung auf den Kolbenschaft ausüben.Light alloy pistons for internal combustion engines To ensure smooth-running engines received, means have been used for a long time, which strive for thermal expansion inhibit the light metal piston at least locally. Among other things are in the shafts the light metal piston, especially in the hotter one facing the piston head Shaft end inserts cast in the form of closed rings or sleeves made of steel which has a constricting effect on the piston skirt at the relevant points exercise.

Es ist ferner bekannt, die Wärmeausdehnung von Leichtmetallkolben durch mit ihnen verbundene Stahleinlagen derart zu regeln, daß die radiäleWärmedehnung des Kolbenmantels in Richtung der quer zur Kolbenachse gerichteten Längsschnittebene des Kolbens im wesentlichen gleich derjenigen des Zylinders ist. Erreicht wird das bei einer bekannten Bauart durch Anordnung von quer zur Bolzenachse verlaufenden Stahlstreifen, welche sich zwischen den vom Kolbenkopf durch Ouerschliitze und von den Bolzemiaben durchfensterartige Durchbrechungen getrennten Tragflächen erstrecken. Eine Ausführungsform dieser Bauart, bei welcher die Wirkung der Stahlstreifen dadurch verbessert ist, daß sie auf einer Seite je eine Leichtmetallrippe tragen, mit der zusammen sie bei Erwärmung sich krümmende und dadurch relativ verkürzende Bimetallelemente bilden, wird heute noch angewendet. Ihre Anwendbarkeit ist jedoch dadurch eingeschränkt, daß die im Bereich der Naben vorzusehenden großen Fenster z. B. bei liegenden Zylindern den Ölhaushalt ungünstig beeinflussen und eine Verwendung in Zweitaktmotoren mit in den Zylindern angeordneten Überströmkanälen unmöglich machen.It is also known the thermal expansion of light metal pistons controlled by steel inserts connected to them in such a way that the radial thermal expansion of the piston skirt in the direction of the longitudinal sectional plane directed transversely to the piston axis of the piston is substantially the same as that of the cylinder. That is achieved in a known design by arranging transverse to the bolt axis Steel strips, which extend between the piston head through Ouerschlitze and from the Bolzemiaben through window-like openings extend separate wings. An embodiment of this type, in which the effect of the steel strips thereby is improved that they each carry a light metal rib on one side with the together they at Warming curving and therefore relatively shortening Form bimetal elements is still used today. However, their applicability is limited by the fact that the large windows to be provided in the area of the hubs z. B. adversely affect the oil balance with horizontal cylinders and use impossible in two-stroke engines with transfer ports arranged in the cylinders do.

Für diese Verwendungszwecke bietet sich eine ebenfalls seit langem bekannte Leichtmetallkolbenbauart an, bei der entsprechend der Mantelkrümmung gebogene Stahleinlagen mit den vom Kolbenkopf durch Querschlitze teilweise abgetrennten, im übrigen aber vollschaftigen Mantelwand selbst Bimetallelemente bilden. Für diese Bauart gibt es zwei Ausführungen: Bei der einen Ausführung sind Einlagen in Form von flach in einer O_uerschnittsebene des Kolbens liegenden Ringsegmenten von geringer axialer Höhe vorgesehen, deren Wirkungsbereich, bezogen auf die Schaftlänge, verhältnismäßig klein ist. Selbst bei Anwendung mehrerer solcher in Abständen übereinander angeordneter Einlagen ist es nicht möglich, eine über die ganze Schafthöhe des Kolbens gleichmäßige Wirkung zu erzielen, weil sich die Wirkung jeder einzelnen Einlage mit wachsendem Abstand von ihr vermindert, so daß in den Ebenen der Einlagen Wirkungsmaxima und in den Mittelebenen zwischen zwei übereinanderliegenden Einlagen Wirkungsminima auftreten. Die Folge davon ist ein unerwünscht ungleichmäßiges »Tragbild« des Kolbens, wenn man nicht einen Ausgleich durch eine von der Zylinderform stark abweichende Gestaltung des im kalten Zustand befindlichen Kolbenmantels, z. B. durch Anwendung einer von in verschiedenen Querschnittshöhen unterschiedlich stark oval geschliffenen oder gedrehten Schaftform, schafft.For these purposes, one has also been available for a long time well-known light metal piston design, curved according to the jacket curvature Steel inserts with the partially separated from the piston head by transverse slits, Otherwise, however, the full-length jacket wall itself forms bimetallic elements. For this There are two types of construction: In one version, inserts are in shape of ring segments lying flat in a cross-sectional plane of the piston of less axial height provided, the range of action, based on the shaft length, relative is small. Even when using several such spaced one above the other It is not possible for inserts to be uniform over the entire shaft height of the piston Achieve effect because the effect of each individual deposit increases with increasing Distance from it diminished, so that in the levels of the deposits maximum effects and in the middle planes between two superimposed deposits, minimum effectiveness appear. The consequence of this is an undesirably uneven "wear pattern" of the piston, if one does not compensate by a strongly deviating from the cylindrical shape Design of the piston skirt in the cold state, e.g. B. by application one of ovally ground to different degrees in different cross-section heights or turned shaft shape.

Die andere Ausführungsforte, von der die Erfindung ausgeht, konnte sich bis jetzt in der Praxis nicht durchsetzen. Es handelt sich dabei um einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem vom Kopfteil durch Querschlitze teilweise abgetrennten vollwandigen Kolbenmantel, mit dessen dem Kolbenkopf zugewendeten Teil entsprechend der Mantelwand gebogene und aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmedehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes bestehende hülsensegmentartige Einlagestreifen innerhalb einer Zone, welche beiderseits der Bolzennaben etwa durch die Schnittlinien der inneren Nabenstirnflächen mit dem Mantel und nach dem offenen Schaftende zu durch eine O_uerschnittsebene in Höhe der unteren Bolzennabenränder begrenzt ist, derart verbunden sind, daß sie mit dein Schaftwerkstoff bimetallische Verbundglieder bilden. Bei Leichtmetallkolben dieser Gattung wurde beobachtet, daß man zwar das Wärmedehnungsverhalten im Bereich des oberen Schaftendes, z. B. durch Veränderung der Höhe und Länge der Streifeneinlagen, beeinflussen-kann, daß dabei aber im Bereich des offenen Schaftendes bei Erwärmung geradezu ein »Einfallen« der tragenden Schaftteile eintritt, etwa so, wie wenn diese Teile, in denen gar keine Regelglieder vorgesehen sind, sogar noch einer wesentlich stärkeren Regelwirkung unterworfen wären, als die direkt im Bereich der Einlagen liegenden Zonen des Kolbenmantels. Die Folge davon ist, daß solche Kolben in warmem Zustand am offenen Schaftende zu viel Spiel haben und mit »Warmklappern« bezeichnete Geräusche sowie gegebenenfalls einen erhöhten Ölverbrauch verursachen.The other embodiment, from which the invention is based, could have not yet established themselves in practice. It is a light metal piston for internal combustion engines with a partially separated from the head part by transverse slots full-walled piston skirt, with its part facing the piston head accordingly the shell wall is curved and made of a material with a smaller coefficient of thermal expansion as the existing sleeve segment-like insert strip inside the piston material a zone, which on both sides of the pin bosses approximately through the intersection of the inner hub faces with the jacket and through to the open shaft end an O_uschnittsebene at the level of the lower bolt hub edges is limited, such are connected that they form bimetallic composite links with your shaft material. With light metal pistons of this type it was observed that although the thermal expansion behavior in the area of the upper end of the shaft, e.g. B. by changing the height and length of the Strip inserts can influence, but that in the area of the open shaft end when heated, a "collapse" of the supporting shaft parts occurs, for example as if these parts, in which no regulating elements are provided, even would be subject to a much stronger control effect than that directly in the Zones of the piston skirt lying in the area of the deposits. The consequence of this is that Such pistons have too much play at the open end of the shaft when they are warm and with Noises referred to as “rattling warm” and possibly increased oil consumption cause.

Eine Abhilfe durch entsprechende Vergrößerung des Tragflächendurchmessers am offenen Schaftende des kalten Kolbens ist nicht möglich, weil dadurch das Spiel in kaltem Zustand zu klein werden würde. Ebenso erweist sich eine Abhilfe durch Änderung der Form der Einlagen als nicht möglich. Man kann zwar die Einlagen so schwach ausbilden, daß die Regelwirkung am offenen Schaftende den tatsächlichen Bedürfnissen entspricht. Diese Lösung befriedigt aber deshalb nicht, weil mit ihr eine unerwünschte Schwächung der Regelwirkung auch in den dem Kolbenkopf benachbarten Mantelzonen verbunden ist.A remedy by increasing the wing diameter accordingly at the open end of the shaft of the cold piston is not possible because this causes play would become too small when cold. A remedy also turns out to be Change the shape of the deposits as not possible. You can do the deposits like that develop weak that the control effect at the open shaft end the actual Needs. However, this solution is unsatisfactory because with it an undesirable weakening of the control effect also in those adjacent to the piston head Jacket zones is connected.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, Kolben mit hülsensegmentförmigen Einlagen der oben beschriebenen Art so auszubilden, daß eine zugleich kräftige und gleichmäßige Regelwirkung erzielt wird, dadurch gelöst, daß in der Ebene der dem offenen Schaftende zugekehrten Abschlußkanten der Einlagen Querrippen vorgesehen werden, die vorzugsweise mit den Naben des Kolbens verbunden sind.According to the invention, the object is to provide pistons with sleeve segment-shaped To train deposits of the type described above so that a strong and at the same time uniform control effect is achieved, that in the plane of the dem End edges of the inserts facing the open end of the shaft are provided with transverse ribs which are preferably connected to the hubs of the piston.

Daß diese einfache Maßnahme den angestrebten Erfolg bringt, ist um so überraschender, als der Konstrukteur von Kolben der in Frage stehenden Bauart die Ausführung in der Regel so gewählt hat, daß die Bimetallwirkung nicht gehemmt wird, d. h. daß die Krümmung der betroffenen Mantelteile beeinträchtigende Maßnahmen, zu denen die Anordnung versteifend wirkender Querrippen zweifellos gehört, unterbleiben.That this simple measure brings the desired success is dead as surprising as the designer of pistons of the type in question the execution has usually chosen so that the bimetallic effect is not inhibited will, d. H. that the curvature of the affected parts of the jacket is affected by measures, to which the arrangement of stiffening transverse ribs undoubtedly belongs, are omitted.

In bezug auf die Kolbenbauarten mit Ringsegmenteinlagen, deren axiale Höhe nur etwa a bis 3 mm beträgt, war diese Maßnahme auch durchaus richtig, da kein Anlaß bestand, den ohnehin kleinen Wirkungsbereich solcher Einlagen weiter zu beeinträchtigen. Daß sie bei axial hohen Einlagen zu Mißerfolgen geführt hat, kann damit erklärt werden, daß diese nicht nur in erwünschter Weise die Kolbenquerschnitte durch bimetallische Krümmung in den betreffenden Querschnittsebenen verändern, sondern auch in axialer Richtung eine Bimetallwirkung ausüben. Letztere kann allerdings nicht in der üblichen Weise durch Krümmung in Erscheinung treten, weil der Kolbenschaft eine Röhre darstellt, die durch die Hülsensegmenteinlagen sogar noch verstärkt ist und sich in axialer Richtung infolge ihrer Gestaltfestigkeit nicht biegen läßt. Deshalb wirken sich die bimetallischen Spannungen hier vermutlich so aus, daß die einzelnen als biegungssteif anzusehenden Mantellinien derart verschränkt werden, daß sich die oben geschilderte Verformung des offenen Schaftendes ergibt. Die diesen Mangel behebende Wirkung der an den unteren Abschlußkanten der Einlagen vorzusehenden Querrippen kann damit erklärt werden, daß die durch diese Rippen bedingte einseitige Verstärkung des Leichtmetallteiles der Bimetallelemente eine Änderung der ' Spannungsverteilung mit sich bringt, welche im Sinne eines der beobachteten Verschränkung entgegenwirkenden Drehmomentes in Erscheinung tritt.With regard to the piston types with ring segment inserts, their axial Height is only about a to 3 mm, this measure was also absolutely correct, since none There was reason to further impair the already small area of action of such deposits. This can explain why it has led to failure with axially high deposits be that these not only in the desired manner, the piston cross-sections by bimetallic Change curvature in the relevant cross-sectional planes, but also in axial Direction exert a bimetal effect. The latter, however, cannot be used in the usual way Appear by curvature, because the piston skirt is a tube, which is even reinforced by the sleeve segment inserts and is located in the axial direction Direction can not bend due to its structural strength. Therefore work the bimetallic tensions here presumably so that the individual as flexurally rigid Surface lines to be viewed are interlaced in such a way that the The above-described deformation of the open end of the shaft results. The one that remedies this deficiency Effect of the transverse ribs to be provided on the lower end edges of the deposits can be explained by the fact that the one-sided reinforcement caused by these ribs of the light metal part of the bimetal elements a change in the 'stress distribution brings with it which in the sense of one of the observed entanglement counteracts Torque appears.

Es sind zwar Querrippen auch schon bei anderen Kolbenbauarten angeordnet worden. Insbesondere ist es bekannt, im Bereich des offenen Schaftendes sogenannte Einpaßbunde in Form von in der Regel radial niedrigen Querrippen vorzusehen, deren Innenflächen dazu dienen, den Kolben während seiner Bearbeitung auf das Dreibackenfutter einer Werkzeugmaschine aufzuspannen. Im Zusammenhang mit flach in einer bestimmten Querschnittsebene des Kolbens eingegossenen Ringsegmenten können solche Einpaßbunde schon deshalb nicht wirken, weil bei der genannten Bauart von einer axialen Bimetallwirkung gar nicht die Rede sein kann. Im Zusammenhang mit axial hohen Hülsensegmenten, welche im heißeren und daher einer Dehnungsregelung in erster Linie bedürftigen oberen Schaftteil eingegossen sind, können sie infolge ihrer großen Entfernung vom unteren Rande der Einlagen nicht oder nur ungenügend wirksam werden.It is true that transverse ribs are already arranged in other piston types been. In particular, it is known in the area of the open shaft end so-called Provide fitting collars in the form of generally radially low transverse ribs, their Inner surfaces serve to hold the piston on the three-jaw chuck during its machining to clamp a machine tool. Related to flat in a particular Ring segments cast in the cross-sectional plane of the piston can have such fitting collars if only because of an axial bimetallic effect in the mentioned design can be out of the question. In connection with axially high sleeve segments, which in the hotter and therefore primarily in need of a stretch control upper Shaft part are cast, they can due to their great distance from the lower The margins of the deposits are not or only insufficiently effective.

Es ist ferner eine Kolbenbauart bekanntgeworden, bei der axial niedrige ringsegmentförmige Einlagen allseitig in Querrippen des Kolbenschaftes eingebettet sind. Hier entfällt jedoch eine Vergleichsmöglichkeit mit dem Erfindungsgegenstand, weil in diesem Falle die Rippen symmetrisch zu den Einlagen angeordnete Bestandteile der bimetallischen, in axialer Richtung nicht wirksamen Verbundglieder sind.There is also a piston type has become known in which the axially low ring segment-shaped inserts embedded on all sides in transverse ribs of the piston skirt are. Here, however, there is no possibility of comparison with the subject matter of the invention, because in this case the ribs are arranged symmetrically to the inserts the bimetallic, in the axial direction not effective composite links.

Ebensowenig ist eine Vergleichsmöglichkeit zwischen dem Erfindungsgegenstand und der schon obenerwähnten bekannten Bauart von Leichtmetallkolben gegeben, bei welcher der Kolbenschaft im Bereich der Bolzennaben fensterartige Aussparungen aufweist und bei welcher dehnungsregelnde Einlagen in Form von sehnenartig zwischen den seitlich der Aussparungen verbleibenden Tragschuhen sich erstreckenden ebenen Platten vorgesehen sind.There is also no possibility of comparison between the subject matter of the invention and given the above-mentioned known type of light metal piston which the piston skirt has window-like recesses in the area of the pin bosses and in which stretch-regulating inserts in the form of tendon-like between the sides of the recesses remaining carrying shoes provided extending flat plates are.

Da die dehnungsregelnde Wirkung der Einlagen auf den durch die ungleichartige Wärmedehnung von Einlagen- und Kolbenwerkstoff bewirkten temperaturabhängigen Spannungen im Kolbenschaft beruht, ist es verständlich, daß man beim Übergang von einem relativ elastischen Fensterkolben auf einen Kolben mit geschlossenem, vollwandigem Schaft nicht damit rechnen kann, daß sich die durch die Einlagen bewirkten Spannungen gleich oder auch nur vergleichbar auswirken. Es kann deshalb ein in der Literatur über Fensterkolben gegebener Hinweis darauf, daß man den die Tragschuhe miteinander verbindenden, unterhalb der Fenster vorgesehenen ringförmigen Schaftteil durch Querrippen verstärken kann, nicht als Anregung im Sinne der Erfindung gewertet werden. Davon abgesehen hat die Praxis gezeigt, daß es bei Fensterkolben zum Erreichen eines über die ganze Schafthöhe gleichmäßigen Dehnungsverhaltens häufig zweckmäßig ist, die Biegung des unteren ringförmigen Schaftteiles nicht zu hemmen, sondern im Gegenteil durch Anordnung von Verbindungsstegen zu den heißeren und somit einer stärkeren Wärmedehnung unterliegenden Bolzennaben noch zu fördern, d. h. gerade umgekehrt zu verfahren als gemäß der Erfindung bei Vollschaftkolben verfahren werden soll.Since the stretch-regulating effect of the deposits on the due to the dissimilar Thermal expansion of the insert and piston material caused temperature-dependent stresses is based in the piston skirt, it is understandable that when transitioning from a relative elastic window piston on a piston with a closed, full-walled shaft cannot expect that the tensions caused by the deposits will be the same or even have a comparable effect. There may therefore be one in the literature about Window piston given indication that one connects the carrying shoes with each other, Reinforce the annular shaft part provided below the window by means of transverse ribs can not be interpreted as a suggestion within the meaning of the invention. Besides that Practice has shown that with window pistons it is possible to achieve one over the whole Shank height uniform expansion behavior is often useful, the bending of the Not to inhibit the lower annular shaft part, but on the contrary by arrangement from connecting webs to the hotter ones and therefore subject to greater thermal expansion Bolt hubs still to be promoted, d. H. to proceed just the other way around than according to the invention is to be traversed with a full shaft piston.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Fig. i im Längsschnitt und in Fig. 2 in einem Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. i dargestellt.The drawing shows an embodiment of the subject matter of the invention in Fig. i in longitudinal section and in Fig. 2 in a cross section along the line II-II shown in Fig. i.

Der dargestellte Kolben besteht aus dem Kopfteil i und dem durch Querschlitze 2 teilweise abgetrennten Schaft 3. Im letzteren sind im Bereich der Naben .4 entsprechend der Mantelkrümmung hülsensegmentartig gebogene Stahlblechstreifen 5 so eingegossen, daß sie zusammen mit dem Leichtmetall der entsprechenden Mantelteile bimetallische Verbundglieder bilden, welche sich bei Erwärmung krümmen und dabei die Wärmedehnung des Schaftes in Richtung senkrecht zur Bolzenachse hemmen. Der untere Schaftteil ist gegen eine unerwünschte Beeinflussung durch die Anordnung von Ouerrippen 6 geschützt, welche längs der dem offenen Schaftende des Kolbens zugewandten Abschlußkanten der Stahlblechstreifen 5 verlaufen. Diese Querrippen sind sowohl mit den Naben q. als auch mit den axialen Verstärkungswulsten 7 verbunden, in welche die umgebogenen Enden der Einlagen 5 eingebettet sind.The piston shown consists of the head part i and the cross-slits 2 partially severed shaft 3. In the latter are in the area of the hubs .4 accordingly sheet steel strips 5 bent like a sleeve segment into the jacket curvature in such a way that that they are bimetallic together with the light metal of the corresponding jacket parts Form composite links, which bend when heated and thereby the thermal expansion of the shaft in the direction perpendicular to the bolt axis. The lower part of the shaft is protected against undesirable influences by the arrangement of Ouerrippen 6, which along the end edges facing the open shaft end of the piston Sheet steel strips 5 run. These transverse ribs are both with the hubs q. as also connected to the axial reinforcing beads 7, in which the bent over Ends of the inserts 5 are embedded.

Claims (1)

PATENTANSFPUCH: Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem von dessen Kopfteil durch Querschlitze oder Durchbrechungen teilweise abgetrennten vollschaftigen Kolbenmantel, mit dessen dem Kolbenkopf zugewendeten Teil entsprechend der Mantelwand gebogene und aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmedehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes bestehende hülsensegmentartige Einlagestreifen innerhalb einer Zone, welche beiderseits der Bolzennaben etwa durch die Schnittlinien der inneren Nabenstirnflächen mit dem Mantel und nach dem offenen Schaftende zu durch eine Querschnittsebene in Höhe der unteren Bolzennabenränder begrenzt ist,. derart verbunden sind, daß sie mit dem Schaftwerkstoff bimetallische Verbundglieder `bilden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene der dem offenen Schaftende des Kolbens zugekehrten Abschlußkanten der Einlagen vorzugsweise mit den Naben verbundene Ouerrippen vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 73I 633, 700 425, 699 914, 566 738, 509 199; österreichische Patentschriften Nr. 138999, 136 581; schweizerische Patentschrift Nr. 183 535; französische Patentschriften Nr. 742 973, 573 257; USA.-Patentschrift Nr. 2 o82 898.PATENT APPLICATION: Light metal pistons for internal combustion engines with a full-skirted piston skirt partially separated from its head part by transverse slits or perforations, with its part facing the piston head bent in accordance with the skirt wall and made of a material with a smaller thermal expansion coefficient than that of the piston material, sleeve segment-like insert strips within a zone, which on both sides of the piston head Bolt hub is bounded approximately by the lines of intersection of the inner hub end faces with the jacket and, after the open end of the shaft, by a cross-sectional plane at the level of the lower bolt hub edges. are connected in such a way that they form bimetallic composite members with the shaft material, characterized in that in the plane of the end edges of the inserts facing the open shaft end of the piston, preferably connected to the hubs, outer ribs are provided. Considered publications: German Patent Nos. 73I 633, 700 425, 699 914, 566 738, 509 1 99; Austrian patent specifications No. 138999, 136 581; Swiss Patent No. 183 535; French Patent Nos. 742 973, 573 257; U.S. Patent No. 2,082,898 .