DE1243929B

DE1243929B - Reciprocating piston

Info

Publication number: DE1243929B
Application number: DEC27908A
Authority: DE
Inventors: Robert Charles Schmidt
Original assignee: Cummins Engine Co Inc
Current assignee: Cummins Inc
Priority date: 1961-09-14
Filing date: 1962-09-10
Publication date: 1967-07-06

Description

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.Reciprocating piston The invention relates to a piston made of a piston head and a piston skirt with at least one annular groove for receiving a piston ring in the piston head and a hole for receiving a piston pin in the piston skirt, which has a cylindrical intermediate portion and an upper end portion as well has a lower end portion tapering inwardly from the intermediate portion run at an angle so that the side pressure of the connecting rod on the rectilinear Section is limited and distributed over this section.

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.A significant problem with such pistons, e.g. B. for internal combustion engines, is that depending on the mean deviation of the connecting rod from the Piston axis the force transmitted from the piston to the crankshaft via the connecting rod transferred with a more or less large component lying transversely to the piston lizard will. This not only leads to a reduction in efficiency, but also to considerable friction and thus signs of wear on a piston wall.

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.Similar conditions prevail with piston working machines or in the work cycles of prime movers, e.g. B. the compression stroke in internal combustion engines. Due to the inevitably necessary arrangement of the piston pin at a distance from the force-transmitting surface, namely the piston crown; is determined by the shear force component also transmit a tilting force about the pin axis to the piston. This creates possibly considerable edge pressure. A reduction in this edge pressure by appropriately lengthening the running surface of the piston is through the constructive Limited training of the machine. To reduce this edge pressure it is also known that the peripheral edges at the beginning and at the end of the piston are approximately conical to rejuvenate. This known measure also reduces the adverse effect edge pressure, but does not eliminate its cause.

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.It is the object of the invention to provide a piston create, in which the edge pressure as a result of the generated by the transverse forces Tipping force is practically avoided. The invention assumes that at corresponding position of the sliding surface of the piston, d. H. its cylindrical section to the piston pin, the lateral forces are no longer in the sense of a tilting force on the piston can work.

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.This principle is implemented according to the invention in that the cylindrical section in the axial direction within the transverse projection of the piston pin bore lies. As a result of this measure, the transverse force component of that acting on the piston pin lies Parallelogram of forces in each case at the level of the piston pin, so that they are on does not transmit any force to the piston. The center of the axis of the straight line is preferably located here Section below the center of the piston pin bore.

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.The invention is illustrated below with reference to the drawings using an exemplary embodiment explained in more detail. It shows F i g. 1 is a side view of the piston according to the invention and part of the connecting rod and F i g. 2 shows a longitudinal section along line 2-2 of Fig. 1.

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.The piston 10 has a piston head 12 and a piston skirt 13. In the side wall of the piston head 12, annular grooves 14 for receiving piston rings 15 are provided. An oil control ring 16 is located in the lowest annular groove 14. The piston skirt 13 has internal eyes 17 with a transverse bore 1 $ for receiving a piston pin 19 , on which a connecting rod 23 is mounted with the upper end 22.

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.During the power stroke of the piston, this is caused by the combustion in the cylinder resulting pressure exerted axially downwards on the piston. As a result of the angular position the connecting rod 23, corresponding to the rotation of the shaft crank, this working pressure acts on the piston pin 19 with a transverse force component that the piston 10 to the one Side of the cylinder wall 11 presses.

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.For structural reasons, it is advantageous to have a piston with a Use a short piston skirt, as such a piston reduces the Total height of the engine and the engine weight allows. The shortened piston skirt also allows a shorter connecting rod to be used.

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.In order to avoid the transverse force caused by the transverse force, especially with short pistons To eliminate edge pressure, the piston 10 has a piston skirt 13 whose edge regions so conical inward that the piston shell is on, the cylinder wall only on a cylindrical wall section 31 within the transverse projection of the piston holder 19 is present. The axial centerline 32 (Fig. 1) of the rectilinear piston skirt portion In the example shown, 31 lies somewhat below the center point 33 of the piston pin 19 (Figs. 1 and 2). -The piston skirt 13 then only needs to be so long that there is enough material in the sprues 17 to support the piston pin 19. Thus, apart from the straight section 31, no other part of the piston skirt 13 rests against the cylinder wall 11 are those below the straight section 31 located lower portion 34 of the piston skirt 13 and the above the rectilinear Section 31 located upper section 36 of the piston skirt 13 in a known manner tapered conically with cone angles l4 or B.

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.When the rectilinear intermediate portion 31 is arranged so that it lies within the transverse projection of the piston pin bore 18, and if the axial center line 32 located near the center 33 of the piston pin 19 engages the lateral force component in the area of the piston pin and does not transmit any tilting force on the piston.

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.From Fig. 1- it can be seen that the axis of the piston pin 33 is above the dot-dashed center line 32 of the contact area 31 lies. the The force parallelograms shown here show transfer points in the storage area, the main force Po running perpendicular to the piston crown, which is caused by the inclination of the connecting rod 23 in the component P lying in the direction of the connecting rod axis, and the transverse force component P2 lying perpendicular to it is broken down. By the invention Arrangement of the piston pin, all these transverse forces lie within the contact area 31 and thus also within the transverse projection of the piston crown, so that a tilting effect can not be transferred to the piston 10.

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.The conically tapered circumferential surfaces 34, 36 are not used, as in known pistons, to enable limited coupling of the piston without the occurrence of edge pressure, but are real undercuts that limit the support area of the piston to the area 31 within the transverse projection of the piston crown. The lower end 37 of the piston skirt 13 is, as stated, so far below the piston pin bore 18 that enough metal is present in the gates 17, and the upper end 38 of the piston skirt is arranged so that the piston pin bore 18 below the lowermost annular groove 14 and so that this annular groove 14 is in the full material.

Claims

Claims: 1. Piston consisting of a piston head and a piston skirt with at least one ring groove for receiving a piston ring in the piston head and one Bore for receiving a piston pin in the piston skirt, which has a cylindrical Intermediate section and an upper end section and a lower end section which are tapered inwards at an angle from the intermediate section, so that the side pressure of the connecting rod is limited to the straight line section and is distributed over this section, characterized in that the cylindrical Section (31) in the axial direction within the transverse projection of the piston pin bore (18) lies.

2. Piston according to claim 1, characterized in that the axial center of the straight section (31) below the center point (33) of the piston pin bore (18) lies. References considered: British Patent No. 278 639; U.S. Patent No. 1864,384.