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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen.
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Es ist bekannt, bei einer Brennkraftmaschine mit aus einer Aluminiumlegierung
bestehenden Zylindern die gleichfalls aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben
mit Kolbenringen aus nitriertem Stahl oder anderem ähnlich hartem Metall zu versehen,
deren radiale Dicke größer ist als die Tiefe der sie aufnehmenden Ringnuten des
Kolbens, so daß die Kolbenringe stets etwas über die Außenfläche der Kolben hervorstehen
und dadurch allein die Lager-Flächen der Kolben bilden.
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Zweck dieser älteren Bauart ist es, bei aus Leichtmetall oder Aluminiumlegierungen
bestehenden Zylindern, in denen Kolben aus Leichtmetall, z. B. Aluminiumlegierungen,
nicht gut laufen, Zylindereinsatzbüchsen aus Stahl entbehrlich zu machen. Indessen
lassen sich solche aus der Kolbenfläche hervorstehenden Kolbenringe auch dann mit
Vorteil anwenden, wenn die .Zylinder aus anderen Metallen bestehen, weil die Vorteile
größerer Lebensdauer der Zylinder und besseren Wirkungsgrades dadurch, daß die Gleitflächen
der Kolben durch Stahl- oder andere Schwermetallringe gebildet sind, auch dann vorliegen,
wenn die Zylinder z. B. aus Gußeisen bestehen.
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Diese stets über die Mantelfläche des Kolbens hervorstehenden Kolbenringe
werden »tragende« Ringe genannt. Sie sind geschlitzt, bestehen aus hartem Metall,
z. B. aus Stahl oder Eisen, und haben eine radiale Dicke, die größer ist als die
Tiefe der sie .aufnehmenden Kolbennuten, so daß sie die seitlichen Drücke der Kolben
aufnehmen und verhindern, daß die Kolben mit ihrer Mantelfläche unmittelbar auf
der Zylinderfläche gleiten. Sie unterscheiden sich daher grundsätzlich von den üblichen
Öl- und Gasdichtungsringen, bei denen es sich zwar gleichfalls um geschlitzte Ringe
aus hartem Metall handelt, deren radiale Dicke aber geringer als die Tiefe der sie
aufnehmenden Kolbennuten ist, so daß sie vollständig in die Ringnuten eingedrückt
werden können, ohne deren Grund zu berühren.
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Die auf diese verhältnismäßig schweren tragenden Ringe wirkenden Trägheitskräfte
sind bei den Maschinen mit hoher Drehzahl sehr groß. Deshalb ist . es vorteilhaft,
die Masse der tragenden Ringe so klein wie möglich zu halten, ohne ihre tragende
Fläche zu vermindern. Hieraus ergibt sich die Verwendung von dünnen, in axialer
Richtung langen, also hülsenartigen Ringen, deren axiale Länge mindestens ; dem
Dreifachen ihrer radialen Stärke entspricht. Diese hülsenartigen Kolbenringe haben
auch den Vorteil einer Verbesserung des Wärmeflusses vom Kolben auf den Zylinder.
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Ein Nachteil solcher dünnen Ringe besteht aber darin, daß die oberen
und unteren Wände der für sie in dem aus Leichtmetall bestehenden Kolben vorzusehenden
flachen Kolbennuten so schmal sind, daß sie durch die im Betrieb ständig auftretenden
Schläge, die der Ring auf sie ausübt, leicht beschädigt werden können. Diese Schläge
beruhen auf den auf den Kolbenring wirkenden Trägheitskräften und Schubkräften.
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Die Erfindung ermöglicht die Verwendung solch dünner tragender Ringe
ohne die Gefahr einer Beschädigung der Nutwände und ergibt gleichzeitig eine günstige
Kombination von tragenden und dichtenden Ringen. Dies wird erfmdungsgemäß dadurch
erreicht, daß jedem tragenden Ring an seinem oberen und an seinem unteren Rand je
unmittelbar ein Dichtungsring benachbart ist, der in axialer Richtung wesentlich
schmaler und in radikaler Richtung wesentlich dicker als der tragende Ring und in
einer Nut von größerer Tiefe als diese radiale Dicke angeordnet ist. Diese Dichtungsringe
sind, wie auch der tragende Ring, geschlitzt, und ihre radiale Dicke ist erheblich
größer als ihre axiale Breite. Sie wirken daher als Öl- und Gasdichtungsringe.
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Durch diese Anordnung eines tragenden Ringes unmittelbar zwischen
zwei Dichtungsringen ergibt sich, daß die schmalen Ringflächen des tragenden Ringes
nicht
gegen Flächen des Leichtmetallkolbens, sonders - in an sich bekannter Weise - gegen
die Seitenflächen der aus hartem Metall bestehenden Dichtungs. ringe schlagen. Da
diese Dichtungsringe aber eine wesentlich größere radiale Dicke haben, so verteilen
sich die von dem tragenden Ring auf die Dichtungsringe ausgeübten Schläge auf eine
wesentlich größere Fläche,. so daß eine Beschädigung des Kolbens nicht eintreten
kann.
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Die Erfindung ermöglicht die Verwendung besonders dünner Ringe, d.
h. von Ringen, bei deren Querschnitt die Länge mindestens das Zehnfache der Schmalseiten
ist. So kann bei einem Kolben von 86 mm Durchmesser die radiale Tiefe der Ringnut
für den tragenden Ring 0,8 mm oder noch weniger und die radiale Dicke des Ringes
um etwa 0,1 bis 0,2 mm größer als diese Tiefe sein. Die axiale Breite des Ringes
liegt dabei in der Größenordnung von 12 bis 15 mm.
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In der Zeichnung ist ein Kolben gemäß der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Kolben und den Zylinder,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 6, der die obere rechte Ecke des Kolbens zeigt,
in größerem Maßstab; Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines Teils dreier benachbarter
Kolbenringe und Fig.4 einen Ausschnitt eines Längsschnitts entsprechend Fig. 1 durch
einen etwas abgewandelten Kolben.
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Der in dem Zylinder 12 angeordnete Kolben 1 ist mit zwei Kolbenringkombinationen
versehen, die allgemein mit 2 bezeichnet sind und von denen eine in der Nähe des
oberen und eine in der Nähe des unteren Kolbenendes vorgesehen ist. Jede Kolbenringkombination
weist einen breiten, aber dünnen tragenden Ring 3 aus Federstahl oder Werkzeugstahl
auf, der bei 4 geschlitzt ist (Fig. 3) und der ohne Beeinträchtigung seiner Härte-
und Federungseigenschaften sehr hohe Temperaturen, wie sie in Brennkraftmaschinen
auftreten (z. B. 300 bis 400e C), verträgt. Die radiale Dicke dieses dünnen Ringes
beträgt bei den gängigen Kolbendurchmessern etwa 0,8 bis 1,2 mm, und ihre Breite
beträgt etwa 12 bis 15 nun.
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Dieser tragende Ring ist in einer seiner Breite entsprechenden flachen
Ringnut 5 angeordnet (Fig. 2), deren radiale Tiefe geringer als die Dicke des Ringes
ist, so daß wie auch der Ring zusammengedrückt sein mag, er stets über die Außenfläche
des Kolbens vorsteht und eine Berührung zwischen dem eigentlichen Kolbenkörper und
dem Zylinder verhindert. Bei der Darstellung in Fig.2 ist angenommen, daß der Kolben
1 nach rechts gegen die Zylinderfläche 6 gedrückt wird, so daß der tragende Ring
3 fest gegen den Grund der Ringnut 5 anliegt. Auf der anderen, nicht dargestellten
Seite des Kolbens dagegen berührt der Kolbenring 3 den Grund der Nut 5 ganz leicht
oder weist einen sehr kleinen Abstand von ihm auf.
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An jedem Ende der flachen Ringnut 5 befindet sich eine schmale, aber
tiefere Ringnut 7 (Fig. 2). Die in diesen beiden Nuten angeordneten Kolbenringe
8, die bei 11 (Fig.3) ebenfalls geschlitzt sind und deren radiale Dicke geringer
als die radiale Tiefe der Nuten ? ist, stellen Gas- und Öldichtungsringe dar. Diese
Ringe können also voll in ihre Nuten hineingedrückt werden. Sie flankieren den tragenden
Ring 3 beiderseits und legen sich dabei gegen die äußeren Flächen 9 ihrer Ringnuten
7 an. Diese beiden Ringe sind in axialer Richtung verhältnismäßig schmal; während
ihre radiale Dicke etwa fünfmal so groß ist wie ihre Breite. Sie können ebenfalls
aus vergütetem Stahl bestehen; z. B. aus Kugellagerstahl.
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Bei der am unteren Kolbenende vorgesehenen Kolbenkombination kann
einer der beiden Dichtungsringe (oder auch beide) als ölabstreifring ausgebildet
sein. Dementsprechend werden auf ihrer jeweiligen Unterseite Bohrungen 10 vorgesehen,
wie dies in Fig. 1 an dem unteren Ring 8 der Fall ist.
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Es versteht sich, daß zwischen der am oberen und der am unteren Kolbenende
vorgesehenen Kolbenringkombination 2 auch noch weitere tragende und/ oder dichtende
Kolbenringkombinationen vorgesehen werden können: Fig. 4 zeigt eine Kolbenringkombination
mit zwei tragenden Ringen 3, zwischen denen ein Dichtungsring 8 a vorgesehen ist
und die oben und unten je von einem weiteren Dichtungsring 8 flankiert sind.
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Die Erfindung gilt nicht für den Fall, daß der tragende Ring nur an
einem einzigen der beiderseitigen Enden (oberhalb oder unterhalb) von einem Dichtungsring
flankiert wäre, wie dies ähnlich bereits bekannt ist. Hierdurch ist die auf die
Vermeidung der Beschädigung der axialen Nutenwände gerichtete Aufgabe der Erfindung
nicht völlig gelöst.
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' Es ist auch bekannt, einen Tragring an seinen beiderseitigen Enden
axial einzuspannen, z. B. mittels eines oberen und unteren Schraubringes. Hier liegt
jedoch die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe nicht vor, weil im bekannten Falle
der Tragring axial unbeweglich ist. Dergleichen ist es bekannt, den dünnen Tragring
am offenen Ende des Kolbens fest zu verschrauben.
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Es ist auch bekannt, einem dünnen Tragring einstückig mit ihm verbundene,
radial nach innen vorspringende, ringartige Vorsprünge zu verleihen. Hierdurch wird
zwar die axiale Auflagefläche vergrößert, doch haben diese Ringvorsprünge nicht
die Dichtwirkung der vorliegenden Ringe 8, und es ist auch die Herstellungsweise
derartiger Tragringe verhältnismäßig unwirtschaftlich.