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Hubkolben Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben aus einem Kolbenkopf
und einem Kolbenmantel mit mindestens einer Ringnut zur Aufnahme eines Kolbenringes
im Kolbenkopf und einer Bohrung zur Aufnahme eines Kolbenbolzens im Kolbenmantel,
welcher einen zylindrischen Zwischenabschnitt und einen oberen Endabschnitt sowie
einen unteren Endabschnitt hat, die von dem Zwischenabschnitt kegelig nach innen
mit einem Winkel verlaufen, so daß der Seitendruck der Pleuelstange auf den geradlinigen
Abschnitt begrenzt und über diesen Abschnitt verteilt ist.
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Ein wesentliches Problem bei derartigen Kolben, z. B. für Verbrennungskraftmaschinen,
besteht darin, daß in Abhängigkeit von der Mittelabweichung des Pleuels von der
Kolbenachse die vom Kolben über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragene Kraft
mit einer mehr oder weniger großen quer zur Kolbenechse liegenden Komponente übertragen
wird. Dies führt nicht nur zu einer Verminderung des Wirkungsgrades, sondern auch
zu erheblichen Reibungen und damit Verschleißerscheinungen einer Kolbenwand.
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Ähnliche Verhältnisse herrschen bei Kolben.-arbeitsmaschinen bzw.
bei den Arbeitstakten von Kraftmaschinen, z. B. dem Verdichtungshub bei Verbrennungskraftmaschinen.
Durch die zwangläufig notwendige Anordnung des Kolbenbolzens mit Abstand von der
kraftübertragenden Fläche, nämlich dem Kolbenboden; wird durch die Querkraftkomponente
auf den Kolben außerdem eine Kippkraft um die Bolzenachse übertragen. Dadurch entstehen
gegebenenfalls erhebliche Kantenpressungen. Eine Verminderung dieser Kantenpressung
durch entsprechende Verlängerung der Lauffläche des Kolbens ist durch die konstruktive
Ausbildung der Maschine begrenzt. Zur Verminderung dieser Kantenpressung ist es
außerdem bekannt, die Umfangskanten am Anfang und am Ende des Kolbens etwa kegelförmig
zu verjüngen. Auch diese bekannte Maßnahme vermindert zwar die nachteilige Wirkung
der Kantenpressung, beseitigt jedoch nicht ihre Ursache.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Kolben zu
schaffen, bei welchem die Kantenpressung infolge der durch die Querkräfte erzeugten
Kippkraft praktisch vermieden wird. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß bei
entsprechender Lage der Gleitfläche des Kolbens, d. h. dessen zylindrischen Abschnitts
zum Kolbenbolzen, die Querkräfte nicht mehr im Sinne- einer Kippkraft auf dem Kolben
arbeiten können.
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Dieses Prinzip wird gemäß der Erfindung dadurch verwirklicht, daß
der zylindrische Abschnitt in Axialrichtung innerhalb der Querprojektion der Kolbenbolzenbohrung
liegt. Durch diese Maßnahme liegt die Querkraftkomponente des am Kolbenbolzen wirkenden
Kräfteparallelogramms in jedem Falle in Höhe des Kolbenbolzens, -so daß sie auf
den Kolben keine Kraft überträgt. Dabei liegt vorzugsweise -die Axiahnitte des geradlinigen
Abschnitts unterhalb des Mittelpunkts der Kolbenbolzenbohrung.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kolbens
und eines Teils der Pleuelstange und F i g. 2 einen Längsschnitt nach Linie 2-2
der Fig. 1.
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Der Kolben 10 hat einen Kolbenboden 12 und einen Kolbenmantel
13. In der Seitenwand des Kolbenbodens 12 sind Ringnuten 14 zur Aufnahme
von Kolbenringen 15 vorgesehen. In der untersten Ringnut 14 liegt ein ölabstreifring
16. Der Kolbenmantel 13 weist innenliegende Augen 17 mit einer Querbohrung 1$ zur
Aufnahme eines Kolbenbolzens 19
auf, auf dem mit dem oberen Ende 22 eine Pleuelstange
23 gelagert ist.
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Beim Krafthub des Kolbens wird der durch die Verbrennung im Zylinder
entstehende Druck axial nach unten auf den Kolben ausgeübt. Infolge der Winkelstellung
der Pleuelstange 23, entsprechend der Drehung der Wellenkurbel, wirkt dieser Arbeitsdruck
auf
den Kolbenbolzen 19 mit einer Querkraftkomponente, die den Kolben 10 an die eine
Seite der Zylinderwand 11 drückt.
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Es ist aus konstruktiven Gründen vorteilhaft, einen Kolben mit einem
kurzen Kolbenmantel zu verwenden, da ein derartiger Kolben eine Verringerung der
Gesamthöhe des Motors und des Motorgewichts ermöglicht. Der verkürzte Kolbenmantel
ermöglicht auch die Verwendung einer kürzeren Pleuelstange.
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Um die insbesondere bei kurzen Kolben durch die Querkraft entstehende
Kantenpressung zu beseitigen, hat der Kolben 10 einen Kolbenmantel 13, dessen Kantenbereiche
so kegelig nach innen verlaufen, daß der Kolberunantel an, der Zylinderwand nur
an einem zylindrischen Wandabschnitt 31 innerhalb der Querprojektion des Kolbenhalters
19 anliegt. Die axiale Mittellinie 32 (F i g. 1) des geradlinigen Kolbenmantelabschnittes
31 liegt im dargestellten Beispiel etwas unterhalb des Mittelpunktes 33 des Kolbenbolzens
19 (F i g. 1 und 2). -Der Kolbenmantel 13 braucht dann nur so lang zu sein, daß
in den Angössen 17 genügend Material zum Tragen des Kolbenbolzens 19 vorhanden ist.
Damit außer dem geradlinigen Abschnitt 31 kein anderer Teil des Kolbenmantels 13
an der Zylinderwand 11 anliegt, sind der unterhalb des geradlinigen Abschnittes
31 gelegene untere Abschnitt 34 des Kolbenmantels 13 und der oberhalb des geradlinigen
Abschnittes 31 gelegene obere Abschnitt 36 des Kolbenmantels 13 in bekannter Weise
mit Kegelwinkeln l4 bzw. B kegelförmig verjüngt.
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Wenn der geradlinige Zwischenabschnitt 31 so angeordnet ist, daß er
innerhalb der Querprojektion der Kolbenbolzenbohrung 18 liegt, und wenn sich die
axiale Mittellinie 32 nahe dem Mittelpunkt 33 des Kolbenbolzens 19 befindet, greift
die Querkraftkomponente im Bereich des Kolbenbolzens an und überträgt keine Kippkraft
auf den Kolben.
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Aus F i g. 1- ist zu ersehen, daß die Achse des Kolbenbolzens 33 oberhalb
der strichpunktiert dargestellten Mittellinie 32 des Anlagebereichs 31 liegt. Die
dargestellten Kräfteparallelogramme zeigen hier übertragungspunkte in der Lagerfläche,
die senkrecht zum Kolbenboden verlaufende Hauptkraft Po, die durch die Schrägstellung
der Pleuelstange 23 in die in Richtung der Pleuelachse liegende Komponente P, und
die senkrecht dazu liegende Querkraftkomponente P2 zerlegt wird. Durch die erfindungsgemäße
Anordnung des Kolbenbolzens liegen alle diese Querkräfte innerhalb des Anlagefeldes
31 und damit auch innerhalb der Querprojektion des Kolbenbodens, so daß eine Kippwirkung
auf den Kolben 10 nicht übertragen werden kann.
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Die kegelig verjüngten Umfangsflächen 34, 36 dienen nicht wie
bei bekannten Kolben dazu, ein beschränktes Kuppeln des Kolbens ohne Auftreten der
Kantenpressung zu ermöglichen, sondern sind echte Unterschneidungen, die den Auflagebereich
des Kolbens auf den Bereich 31 innerhalb der Querprojektion des Kolbenbodens beschränken.
Das untere Ende 37 des Kolbenmantels 13 liegt, wie ausgeführt, so weit unterhalb
der Kolbenbolzenbohrung 18, daß genügend Metall in den Angössen 17 vorhanden ist,
und das obere Ende 38 des Kolbenmantels ist so angeordnet, daß die Kolbenbolzenbohrung
18 unterhalb der untersten Ringnut 14 und damit diese Ringnut 14 im vollen Material
liegt.