DE19829349A1 - Light alloy piston for reciprocating machines - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Hubkolbenmaschinen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a light alloy piston for reciprocating machines which in Preamble of claim 1 specified genus.
Bei Hubkolbenmaschinen wird die Gleitreibung zwischen dem längsbeweglichen Kolben und dem Zylinder reduziert durch Schmierung der Kolbenlaufflächen. Eine hinlänglich bekannte Möglichkeit der Schmierung besteht darin, Öl als Schmierstoff einzusetzen, wobei zwischen dem Kolbenschaft und der Zylinderwand ein Ölfilm ausgebildet wird, welcher eine gleitbare Führung des Kolbens im Zylinder bei reduzierten Reibungsverlusten ermöglicht. Es ist jedoch immer wieder zu beobachten, daß unter bestimmten Betriebsverhältnissen der Ölfilm abreißt und die gegeneinander verschieblichen Metalloberflächen sich einander berühren, so daß es zu einem Fressen kommt.In reciprocating piston machines, the sliding friction between the longitudinally movable piston and the cylinder reduced by lubricating the piston races. A sufficient known way of lubrication is to use oil as a lubricant, an oil film is formed between the piston skirt and the cylinder wall, which slidably guides the piston in the cylinder with reduced friction losses enables. However, it can be observed again and again that under certain Operating conditions the oil film tears off and the movable against each other Metal surfaces touch each other, so that they eat.
Die DE 10 34 922 offenbart einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit Laufflächenschutzschichten aus Werkstoffen mit guten Notlaufeigenschaften. Das Material der Laufflächenschutzschicht ist weicher als das Leichtmetall des Kolbenkörpers, wodurch es einen Festkörperschmierstoff zur Schmierung der Kolbenlaufflächen bildet. Bei dem bekannten Leichtmetallkolben wird als Festkörperschmierstoff eine Kupfer-, Zinn- oder Bleilegierung oder eine Kunstharz-Graphit-Mischung vorgeschlagen. Der Fest körperschmierstoff ist in Vertiefungen des Kolbenschaftes eingebettet. Dabei sind umlaufende Nuten am Kolbenschaft mit dem Festkörperschmierstoff gefüllt, wodurch bei einer Erwärmung des Kolbens das Leichtmetall statt in Richtung der Zylinderlaufbahn in die benachbarten Vertiefungen ausweichen soll und einen Teil des weicheren Festkörper schmierstoffes verdrängen soll. Der aus der Nut austretende Festkörperschmierstoff übernimmt dann die Schmierung der Kolbenlauffläche. Um die Schmierung der Kolbenlauffläche durch Verdrängung des Festkörperschmierstoffes aus den Vertiefungen zu ermöglichen, sollen die Vertiefungen in Form von quer zur Kolbenlängsachse gerichteten, ring- oder schraubengangartig verlaufenden und sich kreuzenden Nuten angeordnet werden. Insbesondere im Bereich des Kolbenkopfes und der benachbarten Mantelteile des Kolbenschaftes sollen die tragenden Leichtmetallflächen des Mantels mehrfach unterbrochen werden. Um die Wärmeausdehnung des Leichtmetallkolbens zu möglichst großen Teilen in den eingebetteten Festkörperschmierstoff zu leiten, ist eine äußerst komplizierte Formgebung der Oberfläche des Kolbenschaftes erforderlich, welche einen hohen Fertigungsaufwand erfordert und daher äußerst teuer ist.DE 10 34 922 discloses a light metal piston for internal combustion engines Tread protection layers made of materials with good emergency running properties. The material The tread protection layer is softer than the light metal of the piston body, which makes it forms a solid lubricant for the lubrication of the piston running surfaces. In which known light metal piston is a solid lubricant a copper, tin or Lead alloy or a synthetic resin-graphite mixture proposed. The feast Body lubricant is embedded in depressions in the piston skirt. Are there circumferential grooves on the piston skirt filled with the solid lubricant, whereby at a heating of the piston instead of in the direction of the cylinder liner the neighboring depressions should evade and part of the softer solid should displace lubricant. The solid lubricant emerging from the groove then takes over the lubrication of the piston running surface. To lubricate the Piston running surface by displacing the solid lubricant from the recesses To enable the depressions in the form of transverse to the longitudinal axis of the piston Directed, ring or screw-like and intersecting grooves to be ordered. Especially in the area of the piston head and the neighboring one Shell parts of the piston skirt should be the load-bearing light metal surfaces of the shell be interrupted several times. To increase the thermal expansion of the light alloy piston Leading as large a part as possible into the embedded solid lubricant is one extremely complicated shaping of the surface of the piston skirt required, which requires a high manufacturing cost and is therefore extremely expensive.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Leichtmetallkolben mit Schmierung der Kolbenlaufflächen durch Festkörperschmierstoff der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß eine Fertigung des Leichtmetallkolbens mit geringem Aufwand möglich ist.The present invention has for its object to provide a light metal piston Lubrication of the piston running surfaces by solid lubricant of the generic type Kind in such a way that a production of the light metal piston with little Effort is possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.The object is achieved with the features of claim 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Gleitreibung zwischen der Zylinderwand und dem im Zylinder hin- und hergeführten Kolben von den Querkräften bestimmt ist, welche auf den Kolben wirken und vom Kurbeltrieb bzw. der Auslenkung des Pleuels bestimmt sind. Es kann daher nur auf eine der beiderseits der Schwenkachse des Kolbens diametral gegenüber liegenden Druckseiten des Kolbenschaftes eine Querkraft wirken. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Schmierstoffeinlagen auf der Druckseite bzw. der gegenüber liegenden Gegendruckseite werden die aufgrund der Querkraft mit Reibung behafteten Kolbenlaufflächen geschmiert. Es müssen also nur örtlich Einlagevertiefungen im Kolbenschaft ausgebildet werden, welche mit Festkörperschmierstoff zu befüllen sind. Die abseits der Druckseiten liegenden Man telabschnitte des Kolbenschaftes, insbesondere die Zone der Schwenkachse, laufen belastungsfrei und ausreichend geschmiert mit. Als Festkörperschmierstoff wird bevorzugt Feinkornkohlenstoff verwendet.The invention is based on the finding that the sliding friction between the Cylinder wall and the piston reciprocated in the cylinder from the transverse forces is determined which act on the piston and the crank mechanism or the deflection of the Connecting rods are intended. It can therefore only on one of the two sides of the pivot axis of the Piston diametrically opposite pressure sides of the piston skirt a transverse force Act. The inventive arrangement of the lubricant deposits on the Pressure side or the opposite counter pressure side are due to the Lateral force lubricated with piston bearing surfaces subject to friction. So it just has to local recesses are formed in the piston skirt, which with Solid lubricant must be filled. The man lying away from the printed pages telesections of the piston skirt, in particular the zone of the swivel axis, run load-free and sufficiently lubricated with. The preferred solid lubricant is Fine grain carbon used.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf jeder Druckseite mehrere Schmiereinlagen vorgesehen, deren Schmierstoffoberflächen durch Mantelabschnitte des Kolbenschaftes getrennt liegen. Dadurch sind mehrere Schmierstoffdepots an jeder Druckseite angeordnet. Der Festkörperschmierstoff wird während des Maschinenbetriebes durch Einlagerung von Verschleißpartikeln aus den Depots verdrängt und schmiert die Kolbenlauffläche.In an advantageous embodiment of the invention, there are several on each printed page Lubrication inserts are provided, the lubricant surfaces of which are covered by jacket sections Piston shaft lie separately. This means there are multiple lubricant depots on each Printed page arranged. The solid lubricant is during the Machine operation displaced from the depots by storing wear particles and lubricate the piston surface.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is below with reference to the drawing explained. Show it:
Fig. 1a, 1b schematische Längsschnitte mit zueinander versetzten Schnittführungen einer Hubkolbenmaschine, Fig. 1a, 1b show schematic longitudinal sections with mutually offset cutting guides of a reciprocating engine,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens, Fig. 2 is a perspective view of a piston according to the invention,
Fig. 3 eine weitere Gestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Kolbens. Fig. 3 shows a further design variant of the piston according to the invention.
In den Fig. 1a und 1b ist schematisch eine Hubkolbenmaschine 4 dargestellt, deren Hubkolben 1 in einem Zylinder 2 längsbeweglich geführt ist und schwenkbeweglich an einem Pleuel 3 gelagert ist. Der Kolben 1 begrenzt in dem Zylinder 2 mit seinem Kolbenboden 12 einen Arbeitsraum 14. In der Fig. 1a ist die Hubkolbenmaschine 4 in einem Längsschnitt in der Kurbelebene 5 der Pleuelbewegung dargestellt, während die Fig. 1b eine um 90° zur Pleuelebene 15 verdrehte Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 1a zeigt. Die Darstellung der Fig. 1a ist demnach eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1b.In FIGS. 1a and 1b is shown schematically a reciprocating piston 4, the lifting piston is guided longitudinally movably in a cylinder 2 and 1 is pivotably mounted on a connecting rod. 3 The piston 1 delimits a working space 14 in the cylinder 2 with its piston crown 12 . FIG. 1 a shows the reciprocating piston machine 4 in a longitudinal section in the crank plane 5 of the connecting rod movement, while FIG. 1 b shows a sectional view rotated by 90 ° to the connecting rod plane 15 along the line BB in FIG. 1 a. The illustration in FIG. 1a is accordingly a sectional view along the line AA in FIG. 1b.
Die Mantelfläche des Kolbenschaftes 7 ist an der Wandung des Zylinders 2 geführt, wobei die Längsbewegungen des Kolbens 1 nach Art des Kurbeltriebes über das Pleuel 3 in eine Drehbewegung im Kurbelkreis 5 umgewandelt werden. Die Längsbewegungen des Kolbens 1 sind so mit der Rotation einer Kurbelwelle 18 des Kurbeltriebes 5 kinetisch gekoppelt.The outer surface of the piston skirt 7 is guided on the wall of the cylinder 2 , the longitudinal movements of the piston 1 being converted into a rotary movement in the crank circuit 5 via the connecting rod 3 in the manner of the crank mechanism. The longitudinal movements of the piston 1 are thus kinetically coupled to the rotation of a crankshaft 18 of the crank mechanism 5 .
Die Hubkolbenmaschine 4 ist ein Verbrennungsmotor, so daß auf den Kolbenboden 12 besonders beim Expansionshub sowie beim Verdichtungshub größere Kräfte wirken. Der Kolben 1 ist durch eine Kolbenbolzenverbindung um eine Schwenkachse 6 schwenkbar an dem Pleuel 3 gelagert, wobei der Kolbenschaft aufgrund der seitlichen Auslegung des Pleuels 3 im Kurbeltrieb 5 gegen die Zylinderwandung gedrückt wird und so auch Querkräfte auf den Kolben 1 wirken. Die Querkräfte werden wechselweise auf der Druckseite 8 oder der Gegendruckseite 9 während der entsprechenden Ab- bzw. Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 in den Kolbenschaft 7 eingeleitet. Die Druckseite 8 und die Gegendruckseite 9 der Kolbenlauffläche liegen beiderseits der Schwenkachse 6 des Kolbens 1 diametral gegenüber. Die Druckpunkte der größten Querkräfte liegen in der Kurbelebene 15 des Pleuels 3.The reciprocating piston machine 4 is an internal combustion engine, so that greater forces act on the piston crown 12, particularly during the expansion stroke and during the compression stroke. The piston 1 is pivotally mounted on the connecting rod 3 by a piston pin connection about a pivot axis 6 , the piston shaft being pressed against the cylinder wall due to the lateral design of the connecting rod 3 in the crank mechanism 5 , and thus transverse forces also act on the piston 1 . The transverse forces are alternately introduced into the piston shaft 7 on the pressure side 8 or the counter-pressure side 9 during the corresponding downward or upward movement of the piston 1 . The pressure side 8 and the counter pressure side 9 of the piston running surface are diametrically opposite on both sides of the pivot axis 6 of the piston 1 . The pressure points of the greatest transverse forces lie in the crank plane 15 of the connecting rod 3 .
Der Kolben 1 besteht aus Aluminium und trägt auf seinem Umfang einen Festschmierstoff zur Schmierung der Kolbenlaufflächen, welcher in Vertiefungen des Kolbenschaftes 7 ein gebettet ist. Auf jeder der Druckseiten 8, 9 der Kolbenlauffläche beiderseits der Schwenkachse 6 ist jeweils eine Schmierstoffeinlage 10 vorgesehen. Die Schmierstoffeinlagen 10 beider Druckseiten 8, 9 liegen spiegelsymmetrisch zur Schwenkachse 6 des Kolbens 1. Sie erstrecken sich in Umfangsrichtung des Kolbenschaftes 7 über einen Bogenwinkel von etwa ein Sechstel bis ein Drittel des gesamten Kolbenumfangs. Die Schmierstoffeinlagen 10 sind gebildet durch Einlagevertiefungen 16 im Kolbenschaft 7, welche mit dem Festschmierstoff gefüllt sind. Die Schmierstoffeinlagen 10 bestehen aus Feinkornkohlenstoff. Der Feinkornkohlenstoff kann auf einfache Weise als Inlay in die Vertiefung 16 gepreßt werden. Die Oberfläche des Kohlenstoffinlays 10 ist dabei bündig mit der umgebenden Aluminium-Mantelfläche des Kolbens 1. Das Kohlenstoffinlay 10 kann auch über die Manteloberfläche des Kolbenschaftes 7 hinausragen, wodurch beim Einlaufen des Kolbens 1 günstige Betriebsverhältnisse mit geringer Reibung geschaffen werden.The piston 1 is made of aluminum and carries on its circumference a solid lubricant for lubricating the piston running surfaces, which is embedded in recesses in the piston skirt 7 . A lubricant insert 10 is provided on each of the pressure sides 8 , 9 of the piston running surface on both sides of the pivot axis 6 . The lubricant deposits 10 on both pressure sides 8 , 9 are mirror-symmetrical to the pivot axis 6 of the piston 1 . They extend in the circumferential direction of the piston skirt 7 over an arc angle of approximately one sixth to one third of the entire piston circumference. The lubricant deposits 10 are formed by insert recesses 16 in the piston skirt 7 , which are filled with the solid lubricant. The lubricant inserts 10 consist of fine-grain carbon. The fine-grain carbon can be pressed into the recess 16 in a simple manner as an inlay. The surface of the carbon inlay 10 is flush with the surrounding aluminum jacket surface of the piston 1 . The carbon inlay 10 can also protrude beyond the outer surface of the piston skirt 7 , whereby favorable operating conditions with low friction are created when the piston 1 runs in .
An dem Kolbenschaft 7 ist benachbart des Kolbenbodens 12 eine umlaufende Kolbenringnut 13 ausgebildet. Die Kohlenstoffinlays 10 erstrecken sich in axialer Richtung vom Fuß des Kolbens 1 bis in den benachbart der Kolbenringnut liegenden Bereich.A circumferential piston ring groove 13 is formed on the piston skirt 7 adjacent to the piston crown 12 . The carbon inlays 10 extend in the axial direction from the base of the piston 1 to the region lying adjacent to the piston ring groove.
In der Fig. 2 ist in einer perspektivischen Ansicht des Kolbens 1 erkennbar, daß die Kohlenstoffeinlagen 10 am Kolbenschaft 7 in Umfangsrichtung getrennt liegen durch die von der Schwenkachse 6 durchsetzten Mantelbereiche des Kolbens 1. Die Inlays 10 aus Feinkornkohlenstoff enden in Umfangsrichtung des Aluminiumgrundkörpers des Kolbens 1 jeweils abseits der Bolzenaugen 17, welche zur schwenkbaren Aufnahme eines Lagerbolzens diametral gegenüber liegend im Kolben 1 ausgebildet sind und die Schwenkachse 6 definieren. Die Kohlenstoffinlays 10 weisen eine einfache Volumen gestaltung auf und können daher mit geringem Aufwand an den tragenden Kolbenlaufflächen der Druck- bzw. Gegendruckseite des Kolbens 1 befestigt werden. Durch Bestückung des Aluminiumkolbens 1 mit jeweils einem Inlay 10 aus Feinkohlenstoff auf jeder der Druckseiten wird eine ausreichende Schmierung der Gleitbewegung des Kolbenschaftes im Zylinder gewährleistet.In FIG. 2 in a perspective view of the piston 1 can be seen that the carbon deposits are 10 separated in the circumferential direction on the piston shaft 7 through the penetrated by the pivot axis 6 cladding regions of the piston 1. The inlays 10 made of fine-grain carbon each end in the circumferential direction of the aluminum base body of the piston 1 apart from the pin bosses 17 , which are designed to be diametrically opposite in the piston 1 for pivotally receiving a bearing pin and define the pivot axis 6 . The carbon inlays 10 have a simple volume design and can therefore be attached to the load-bearing piston running surfaces of the pressure or counterpressure side of the piston 1 with little effort. A sufficient lubrication of the sliding movement of the piston skirt in the cylinder is ensured by equipping the aluminum piston 1 with an inlay 10 made of fine carbon on each of the pressure sides.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausgestaltung eines Aluminiumkolbens 1 mit Feststoffschmierung durch Feinkornkohlenstoff dargestellt. Auf jeder Druckseite des Kolbens sind jeweils mehrere Schmiereinlagen vorgesehen, deren Schmierstoffober flächen durch Mantelabschnitte des Kolbenschaftes 7 getrennt liegen. Im Vergleich zur Fig. 2 weisen die einzelnen Vertiefungen jeder Druckseite im Kolbenschaft 7 ein ge ringeres Verhältnis der Manteloberfläche zur Fülltiefe auf als die großflächigen Kohlenstoffinlays 10 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2. Bei der gezeigten Ausführungsform mit mehreren Schmiereinlagen pro Druckseite des Kolbens bilden die mit Feinkornkohlenstoff aufgefüllten Vertiefungen Kohlenstoffdepots 11 aus. Der Feinkornkohlenstoff wird während des Betriebes der Kolbenmaschine durch Einlagerung von Abrieb- bzw. Verschleißpartikeln aus den Depots herausgedrückt und zur Schmierung der Kolbenlauffläche freigesetzt. Die Kohlenstoffdepots 11 sind auf den Druckseiten des Kolbens mit jeweils gleichen Manteloberflächen gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet, wodurch eine gleichmäßige und zuverlässige Schmierung der Kolbenlauffläche gewährleistet ist. Der mit Kohlenstoffdepots 11 versehene Bereich des Kolbenschaftes 7 liegt ähnlich der Ausdehnung der Kohlenstoffinlays der Kolbenausführung der Fig. 2. Er erstreckt sich in axialer Richtung des Kolbens 1 bis nahe dem Kolbenboden bzw. bis nahe dem Feuersteg und der Kolbenringnut 13 am Umfang des Kolbens 1. FIG. 3 shows a further embodiment of an aluminum piston 1 with solid lubrication using fine-grain carbon. On each pressure side of the piston, a plurality of lubricating inserts are provided, the upper surfaces of which are separated by jacket portions of the piston skirt 7 . In comparison to FIG. 2, the individual depressions of each pressure side in the piston skirt 7 have a lower ratio of the jacket surface to the filling depth than the large-area carbon inlays 10 of the embodiment of FIG. 2. In the embodiment shown with several lubrication inserts per pressure side of the piston, they also form Fine grain carbon filled depressions carbon deposits 11 . The fine-grain carbon is pressed out of the depots during the operation of the piston machine by embedding abrasion or wear particles and released to lubricate the piston running surface. The carbon deposits 11 are arranged on the pressure sides of the piston, each with the same jacket surface, evenly spaced from one another, which ensures uniform and reliable lubrication of the piston running surface. The region of the piston skirt 7 provided with carbon deposits 11 is similar to the expansion of the carbon inlays of the piston design of FIG. 2. It extends in the axial direction of the piston 1 to near the piston crown or to the top land and the piston ring groove 13 on the circumference of the piston 1 .
Die Kohlenstoffdepots 11 sind bis auf Höhe der Manteloberfläche des Kolbenschafts 7 mit Feinkornkohlenstoff ausgefüllt. Die gesamte Oberfläche aller Kohlenstoffdepots 11 jeder Druckseite des Kolbens ist mindestens gleich der zwischen den Kohlenstoffdepots stehengebliebenen Aluminiumoberfläche des Kolbenkörpers. Für die schmierend wirksame Oberfläche der Kohlenstoffdepots 11 hat sich die Kreisform als vorteilhaft erwiesen.The carbon deposits 11 are filled with fine-grain carbon up to the level of the surface of the piston skirt 7 . The total surface of all carbon deposits 11 on each pressure side of the piston is at least equal to the aluminum surface of the piston body that has remained between the carbon deposits. The circular shape has proven to be advantageous for the lubricating surface of the carbon deposits 11 .
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