DE2949091A1

DE2949091A1 - Leichtmetall-regelkolben

Info

Publication number: DE2949091A1
Application number: DE19792949091
Authority: DE
Inventors: Werner 7107 Bad Friedrichshall Steidle
Original assignee: Karl Schmidt GmbH
Current assignee: Karl Schmidt GmbH
Priority date: 1979-12-06
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1981-06-11
Also published as: DE3067288D1; BR8007985A; EP0030399A1; EP0030399B1; US4354426A

Description

KARL SCHMIDT GMBH ~*~ 28.11.1979

Christian-Schmidt-Straße 8/12 -DRQ/GKP-

7107 Neckarsulm

Prov. Nr. 8511 KS

Leichtmetall-Regelkolben

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetall-Regelkolben.

Der Leichtmetall-Kolben als Übertragungselement der thermischen in mechanische Energie ist im modernen Brennkraftmaschinenbau heute nicht mehr wegzudenken. An einen solchen Kolben werden eine Vielzahl von Anforderungen bei allen Betriebszuständen gestellt. Immer ist es das Ziel, mit dem Leichtmetall-Kolben trotz der sehr unterschiedlichen Wärmedehnungszahl des Kolbenwerkstoffs gegenüber Grauguß-Zylindern eine gute Geradführung zu erreichen.

Allen derartigen Kolbenkonstruktionen liegt der Gedanke zugrunde, mit Hilfe von dehnungshemmenden Stahleinlagen die unerwünschte thermische Durchmesservergrößerung des Kolbens zu verhindern und das Kolbenspiel in Druck- und Gegendruckrichtung unter möglichst allen Betriebsbedingungen dem Durchmesser des Zylinders anzupassen. Dieser Vorgang wird als Regelwirkung bezeichnet.

Der Zylinder der Brennkraftmaschine verformt sich unter der thermischen Belastung und den einwirkenden Gasdrücken in radialer und achsialer Richtung und behält kaum seine zylindrische Form bei. Diesen Deformationen muß der Kolben folgen und durch Spiel und Elastizität

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eine Anpassung ermöglichen, wobei sich zu hohe Elastizitäten jedoch nachteilig auswirken.

Bei einer Belastung der Oberkante verformt sich.diese und gleichzeitig verformt sich auch die Unterkante in erhöhtem Maße, wodurch die Steifigkeit des Kolbenschafts beeinträchtigt wird. Unter Schaftsteifigkeit wird der Widerstand gegen die Verformung des Kolbenschafts unter Krafteinwirkung verstanden. Bei einem Kippen des Kolbens um die Oberkante wird das Betriebsspiel der Unterkante um diesen zusätzlichen Einfederungsbetrag durch die Belastung der Oberkante größer. Damit erhöht sich gleichzeitig der Kolbenschrägstand, so daß Kopfanschlagen als auch erhöhte Schaftgeräusche möglich werden. Dies gilt umgekehrt auch für das Kippen um die Schaftunterkante.

Bei herkömmlichen Regelkolben tritt dieser Effekt verstärkt auf, da die Verformung von der steifen Schaftoberkante in überhöhtem Maße an die elastischere Schaftunterkante übertragen wird.

Die Regelcharakteristxk des Kolbens ist durch den Ausdehnungskoeffizient und das Temperaturgefälle zwischen Kolbenkopf und -schaft bestimmt. Ausdehnungskoeffizient und Temperaturgefälle sind für jeden Kolbentyp unterschiedlich und werden durch konstruktive und motorspezifische Maßnahmen beeinflußt.

Das Zusammenwirken von Kolbenspiel, Regelwirkung und Schaftverformung ist entscheidend für die Geradführung des Kolbens. Stets ist dabei zu beachten, daß ein Kompromiß zwischen den Anforderungen ausreichender Gestaltfestigkeit, Laufruhe, Freßsicherheit, Ölverbrauch,

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Reibleistung und Gewicht geschlossen werden muß, weil sich Steifigkeit und Regelwirkung zum Teil gegenseitig beeinflussen.

Das Laufverhalten eines Kolbens wird im wesentlichen vom Spielverhalten in der Betriebsphase bestimmt. Es ist deshalb vorrangig, einen Kolben einsetzen zu können, der in allen Betriebsphasen nahezu gleiches Spielverhalten aufweist. Hierzu werden Regelkolben eingesetzt, mit denen die natürliche Ausdehnung am Schaft in Laufrichtung verringert wird. Bekannt sind dafür Kolben, die über einen Querschlitz den Kopf und das Ringfeld vom Schaft trennen und die teilweise zusätzlich eine Stahleinlage am Schaft aufweisen. Solche Konstruktionen erfüllen die Regelfunktion befriedigend, können jedoch wegen unzulänglicher Gestaltfestigkeit nur begrenzt eingesetzt werden.

Für höher belastete Motoren werden aus Festigkeits- und Temperaturgründen Regelkolben mit Stahleinlagen eingesetzt, die durch keinen Querschlitz zwischen Schaftoberkante und Ringfeld getrennt sind. Bei diesen Konstruktionen haben sich als Nachteile herauskristallisiert, daß entweder eine schlechte Regelwirkung erreicht wird oder bei örtlich befriedigender Regelwirkung starke Regelwertunterschiede zwischen Schaftober- und Schaftunterkante auftreten. Insbesondere bei ring- oder bandförmigen Einlagen im Bereich des oberen Endes des Schaftes wird am unteren Schaft sogar eine Umkehr der Regelwirkung festgestellt, d.h., daß sich größere Ausdehnungswerte einstellen als dies durch die natürliche Ausdehnung des Grundwerkstoffs gegeben ist. Bei all diesen Konstruktionen ist eine

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getrennte Steuerung der Regelwirkung von Schaftoberkante und Schaftunterkante nicht möglich.

Damit solche Kolben bei Vollast freßsicher ausgelegt werden können, erfolgt in der Regel eine örtlich stärkere Zurücknahme der Schleifkurve oder es wird ein größeres Einbauspiel vorgesehen als dies bei geschlitzten Regelkolben der Fall ist. Dies führt zu einer Spielvergrößerung bei Kaltstart und Teillast, was sich nachteilig auf Geradführungsverhalten und Kolbengeräusch auswirkt. (Aufgabe eines guten Regelkolbens ist es, minimale Spiele über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich aufzuweisen.) Das günstigere Spielverhalten eines Regelkolbens mit Stahleinlagen führt gegenüber einem Aluminium-Einmetallkolben zu Mehrgewicht. Das Kolbengewicht wird jedoch wegen eines erforderlichen Masseausgleichs immer mehr begrenzt. Als weitere Aufgabe ist deshalb die Forderung leichter Regelkolben zu erfüllen.

Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, daß durch Reduzierung der Kolbenschaftfläche Reibleistungsverluste des Motors um 3 bis 5 % der Nutzleistung verringert werden können.

Diese Gesichtspunkte haben zu der Aufgabenstellung geführt, nach der

eine getrennte Regelung des Ausdehnungskoeffizienten von Kolbenschaftober- und -unterkante mit der Möglichkeit, gezielte Ausdehnungskoeffizienten an Schaftober- und -unterkante einzustellen, geschaffen;

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- eine direkte Verformungsweitergabe zwischen Kolbenschaf tober- und -unterkante verhindert;

und die Schaftfläche zwischen Schaftober- und -unterkante reduziert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Kolbenschaft in Höhe der Bolzennaben auf dem gesamten Umfang mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Querschlitz versehen ist.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal erweitert sich der Querschlitz von den tragenden Bereichen der Schaftflächen aus zu den Bolzennaben hin in den oberen und unteren Schaftteil hinein.

Der untere Schaftteil ist mit der Bolzennabe verbunden, so daß im Bereich der tragenden Schaftflächen der obere und der untere Teil des Kolbenschafts als gleitschuhartige Lappen ausgebildet sind. Die Schaftführung ist damit zweiteilig ausgeführt.

Damit die Seitenkräfte von dem unteren Kolbenschaftteil aufgenommen werden können, ist dieser auf der Innenseite mit einem versteifenden Bund ausgestattet.

Um eine optimale Riegelung zu erzielen, ist es zweckmäßig, im oberen Schaftteil ein Regelglied anzuordnen.

Bei der vorgeschlagenen Ausführung werden die Ausdehnungen der Schaftoberkante durch ein Regelglied und die der Schaftunterkante über die Temperaturregelung gesteuert. Der direkte Wärmefluß zur Schaftunterkante ist unterbrochen. Eine Wärmespeisung erfolgt

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nur über die Nabe. Die Nabentemperatur ist deshalb wesentlich höher alo die Schafttemperatur der Unterkante. Die Regelwirkung beruht aufgrund der Temperaturunterschiede in einer Ebene auf der erhöhten Ausdehnung in Bolzenrichtung.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Kolbenschafts wird bei Belastung seiner Oberkante die Unterkante bzw. bei Belastung der Unterkante die Oberkante des Kolbenschafts nicht mitverformt. Das Betriebsspiel der Unterkante wird demnach bei Belastung der Oberkante nicht zusätzlich vergrößert, wodurch eine bessere Schaftführung und damit ein günstigerer Ölverbrauch gewährleistet sind.

Da die achsiale Länge des oberen Teils des Kolbenschafts relativ kurz ist, kann auch die Höhe des Regelglieds gegenüber den bisherigen Regelkolben-Konstruktionen kürzer ausgebildet sein, was zu einer zusätzlichen Gewichtseinsparung führt.

Ferner werden an der Oberkante des Kolbenschafts bessere Regelwerte erzielt.

Insgesamt kann durch konstruktive Variierung der Wandstärken der Kolbenschaftteile jeder gewünschte Regelwert an Oberkante und Unterkante eingestellt werden. Eine Umkehr des Ausdehnungskoeffizienten wird vermieden.

Eine aufgerichtete Schleifkurve mit guten Geradführungseigenschaften ist die Konsequenz. Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolbenschaft läßt sich bei Segment-Streifen-, Ringstreifen-, Bandstreifen- als auch bei Kolben mit Bimetallstreifen verwirklichen.

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Die Schaftkräfte der Unter- und Oberkante werden getrennt aufgenommen. Die konstruktive Lösung ist hauptsächlich auf senkrechte Aufnahme von Kräften ausgelegt. Dies trifft für die Schaftkräfte zu, wenn die Reibungskräfte vernachlässigt werden können. Da die Reibkräfte bei einem Reibwert von 0,01 nur 1 % der Seitenkräfte betragen ist die Vernachlässigung gerechtfertigt. Der Abstützbereich zur Nabe kann deshalb schmal gestaltet werden.

Bei einer hochfesten Ausführung des Kolbens ist der obere Schaftteil unmittelbar mit dem Ringfeld verbunden, während bei geringerer Belastung der obere Schaftteil vom Ringfeld getrennt sein kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachstehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Druck-/Gegendruck-Ebene des Kolbens.

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Bolzenebene der beiden Kolbenhälften und einer Seitenansicht der rechten Kolbenhälfte.

Der Kolben besteht aus dem Kolbenkopf 1, dem oberen Teil 2 und dem unteren Teil 3 des Kolbenschafts. Die beiden Kolbenschaftteile 2 und 3 sind durch einen etwa in Höhe der Bolzennaben U verlaufenden Querschlitz 5 getrennt, der sich von den Bereichen 6, 6^f der tragenden Schaftflächen zu den Bolzennaben ^ hin nach oben und unten bogenförmig erweitert. Der untere Schaftteil 3 weist einen versteifenden Bund 7 auf, der mit der

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Bolzennabe 4 verbunden ist. Zwischen den Bolzennaben und der untersten Ringnute 8 ist als Regelglied ein Segmentstreifen 9 eingegossen. Das Regelglied 9 trennt die Oberkante des oberen Schaftteils 2 vom Ringfeld durch einen sich bildenden Spalt.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

I.) Leichtmetall-Regelkolben, gekennzeichnet durch einen auf dem gesamten Umfang des Kolbenschafts in Höhe der Bolzennaben (4) ganz oder teilweise umlaufenden Querschlitz (5).
2. Leichtmetall-Regelkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschlitz (5) von den tragenden Bereichen (6, 6¹) der Schaftflächen aus zu den Bolzennaben hin in den oberen und unteren Schaftteil (2, 3) hinein erweitert.
3. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Schaftteil (3) mit den Bolzennaben verbunden ist.
4. Leichtmetall-Regelkolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Schaftteil (3) durch einen auf seiner Innenseite befindlichen versteifenden Bund (7) ausgestattet ist.
5. Leichtmetall-Regelkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oberen Schaftteil (2) ein Regelglied (9) angeordnet ist.
6. Leichtmetall-Regelkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch konstruktive Variierung der Wandstärken der Kolbenschaftteile (2, 3) jeder gewünschte Regelwert an Ober- und Unterkante des Kolbenschafts einstellbar ist.

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ORIGINAL INSPECTED