DE1284762B - Leichtmetallkolben, insbesondere fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen insbesondere für Brennkraftmaschinen bestimmten Leichtmetallkolben mit im Bereich der tragenden Schaftteile vom Kopf durch Querschlitze getrenntem Schaft, der im Bereich der Bolzennaben fensterartige Einbuchtungen mit im wesentlichen sehnenartig verlaufenden Wandteilen aufweist und in den Einlagen aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes eingegossen sind, die im Bereich der Bolzennaben parallel zu den sehnenartigen Wandteilen der Einbuchtungen verlaufen und im Bereich der tragenden Schaftflächen deren Krüm-. mung folgen. Oberhalb der fensterartigen Einbuchtungen sind die Schäfte derartiger Kolben vollwandig ausgebildet, so daß dort die sehnenartigen Wandteile versteifende Rippen mit kreisabschnittförmigem Querschnitt gebildet werden.
• Bei dieser Kolbenbauart beeinflußt bekanntlich die Abtrennung der tragenden Schaftteile vom Kolbenkopf in Verbindung mit den in den Schaft eingegossenen Einlagen die radiale Wärmeausdehnung des Kolbenschaftes derart, daß sie in Richtung der Bolzenachse gefördert, in der dazu senkrechten Richtung aber gehemmt wird, wobei die durch die Querschlitze nicht abgetrennten Schaftwandteile, welche auch die Bolzennaben und deren Abstützungen gegen den Kolbenboden enthalten, und daher verhältnismäßig steif sind, im wesentlichen der radialen Wärmeausdehnung des Kolbenkopfes folgen, und wobei sich die Krümmung der durch die Querschlitze abgetrennten tragenden Schaftteile im Sinne einer Ovalverformung ändert.
• Bei den bisher bekannt gewordenen Kolben dieser Bauart liegen die versteiften Schaftteile völlig innerhalb des Umfangsbereiches zwischen den beiden Querschlitzen, während die unterhalb der Querschlitze liegenden Schaftteile im wesentlichen unversteift bleiben. So gestaltete Kolben haben sich bei normaler Belastung ausgezeichnet bewährt. Bei höheren Belastungen, insbesondere beim übergang zu höheren Drehzahlen, zeigte sich jedoch an den Enden der Querschlitze eine Neigung zur Bildung von Anrissen. Versuche, diesen Mangel durch örtliche Materialanhäufungen, z. B. durch Anordnung ringwulstartiger, die Schlitzenden umrahmender Rippen, zeigten keinen Erfolg.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Kolben der eingangs erwähnten Art die Neigung zur Bildung von Anrissen an den Enden der Querschlitze zu vermindern und dadurch die Belastbarkeit und -die Lebensdauer der Kolben zu erhöhen.
• Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf der Erkenntnis, daß Spannungen im Bereich der Schlitzenden nicht allein durch Biegebeanspruchungen der durch die Querschlitze abgetrennten Kopfteile, sondern auch durch diejenigen Biegebeanspruchungen verursacht werden können, welche am Übergang von den steifen zu den nicht versteiften Schaftteilen bei der zur Regelung der radialen Wärmeausdehnung angestrebten Ovalverformung des Kolbenschaftes auftreten. Bei allen quergeschlitzten Kolben bilden die Schlitzenden gewissermaßen federnde Gelenke, um welche die infolge der Schlitze nicht mehr abgestützten Kopfteile unter dem Einfluß der Gasdrücke und der Fliehkräfte abwechselnd nach oben und nach unten ausgelenkt werden. Ebenso kann man den Übergang von den steifen zu den nicht versteiften Schaftteilen als Gelenkstellen auffassen, die bei der Ovalverformung des Kolbenschaftes sowie durch die auf den Kolbenschaft einwirkender Seitendrücke besonders beansprucht werden. Wählt man nun die Abmessungen - wie das bei den bekannten Kolben der Fall ist - so, daß die beiden erwähnten Gelenkstellen zusammen fallen, so können im Bereich der Schlitzenden Spannungsspitzen auftreten, die der Kolbenwerkstoff, auch wenn man den Kolben im Bereich der Schlitzenden örtlich verstärkt, nicht auf die Dauer aushält.
• Um das Auftreten solcher Spannungsspitzen zu vermeiden, muß: man die beiden erwähnten Gelenkstellen voneinander trennen. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei einem Kolben der. eingangs erwähnten Art, bei dem die besonders auf Biegung beanspruchten Schaftstellen im Bereich des übergangs der sehnenartigen zu den gekrümmten Teilen der Einlagen liegen, die Abmessungen des Kolbens so zu wählen, daß die gegenseitigen Abstände der in bekannter Weise abgerundeten, vorzugsweise zu Abbohrlöchern erweiterten Enden der Querschlitze kleiner sind als die Breiten der sehnenartigen Zonen der Einlager. : .
• Da nunmehr die Enden der Querschlitze in einem Bereich liegen in dem sich die bei der Wärmeausdehnung des Kolbenschaftes auftretende Ovalverformung der tragenden Schaftteil, wegen der Versteifung.-durch die oberhalb der fensterartigen Einbuchtung vorgesehenen vollwandigen Schaftteile, nicht mehr auswirken kann, treten -Spannungen, welche durch diese Ovalverformung. verursacht werden, im Bereich der Schlitzenden nicht-mehr auf._Der Kolben ist vielmehr in diesem Bereich nur noch durch solche Spannungen beansprucht, welche durch Biegung oberhalb der Querschlitze liegenden Kopfteile infolge der auf den Kolbenkopf einwirkenden Druck- und Fliehkräfte verursacht werden. Diese Spannungen lassen sich aber durch eine- entsprechend biegungssteife Gestaltung des Kolbenkopfes in bekannter Weise auf ein vertretbares Maß zurückführen.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung in F i g. 1 hälftig im Längsschnitt und hälftig in Ansicht, und in 171 g. 2 in einem Schnitt nach der gebrochenen Linie II-II der F i g. 1 dargestellt.
• Der gezeichnete Leichtmetallkolben besteht aus einem den Kolbenboden und die Ringzone umfassenden Kolbenkopf 1 und dem Kolbenschaft 2 mit den Bolzennaben 3. Letztere sind mit dem Kolbenkopf durch Stützrippen 4 vorbunden. Die außerhalb der Stützrippen 4 liegenden Teile des Kolbenschaftes sind vom Kopf durch zwei _Querscblitze_5__abgetrennt, die in Abbohrlöchern 51 enden. Im Bereich der Bolzennäben 3 .weist .der Kolbenschaft Einbuchtungen mit sehnenartigen Wandteilen 21 auf. Ober- und unterhalb dieser Einbuchtungen ist der Kolbenschaft jedoch vollwandig, der Übergang wird durch Rippen 22 und 23 von kreisabschnittförmigem Querschnitt gebildet. Zur Regelung der radialen Wärmeausdehnung des Kolbenschaftes 2 sind in diesen zwei im Ganzen mit 6 bezeichnete Einlagen aus Stahlblech eingegossen, die in ihrer Mittelzone 61, den Schaftwandteilen 21 folgend, sehnenartig verlaufen und in ihren Außenzonen 62, der Schaftkontur folgend, gekrümmt sind.
• Die Breiten b der sehnenartigen, an den versteiften Schaftwandteilen 21 anliegenden Zonen 61 der Stahlblecheinlagen sind größer als die gegenseitigen Abstände a der Enden der beiden Querschlitze 5; die Schlitzenden liegen also wie oben ausgeführt wurde, in einem Bereich, in dem der Kolbenschaft 2 durch die Endzonen der Rippen 22 versteift ist. Dieser Bereich bleibt daher von periodischen Formveränderungen unberührt, denen die biegsameren tragenden Schaftteile unterliegen.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Leichtmetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit im Bereich der tragenden Schaftteile vom Kopf durch Querschlitze getrenntem Schaft, der im Bereich der Bolzennaben fensterartige Einbuchtungen mit im wesentlichen sehnenartig verlaufenden Wandteilen aufweist, während er an seinem kopfseitigen Ende oberhalb der fensterartigen Einbuchtungen vollwandig ausgebildet ist, so daß dort die sehnenartigen Wandteile durch Rippen mit kreisschnittförmigem Querschnitt versteift sind, und in den Einlagen aus einem Werkstoff mit kleinerem Wärmeausdehnungsbeiwert als dem des Kolbenwerkstoffes eingegossen sind, die im Bereich der Bolzennaben parallel zu den sehnenartigen Wandteilen der Einbuchtungen verlaufen und im Bereich der tragenden Schaftflächen deren Krümmung folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände (a) der in bekannter Weise abgerundeten, vorzugsweise zu Abbohrlöchern (51) erweiterten Enden der Querschlitze (5) kleiner sind als die Breiten (b) der sehnenartigen Zonen (21) der Einlagen (6).