DE3235220A1 - Kolben fuer eine hubkolben-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Derartige, aus mehreren Teilen aufgebaute Kolben für Hubkolben-Brennkraftmaschinen wurden bisher insbesondere dazu verwendet, zum Zwecke einer Vergleichmäßigung des Verschleißes eine Drehung des Kolbenendes um seine Längsachse zu erzeugen (z.B. DE-PS 1 301 657 und DE-AS 22 01 2mg). Bei anderen bekannten Ausführungen dieser Ba1lart sollte die Kolbenkühlung verbessert werden (DE-PS 871 222).
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht dagegen darin, einen Kolben für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art zu schaffen, bei dem die Berstellung und Montagekosten durch einfachere Fertigung verringert und die insbesondere durch die Schwenkbewegung des Pleuels während des Betriebs der Brennkraftmaschine verursachten Kolben und Kolbenreibkräfte reduziert werden können.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung, bei der die Pleuelanlenkstelle möglichst weit oben, das heißt etwa in Höhe der Kolbenringe angeordnet ist, wird es nun möglich, bei gegebenem Kolbenhub längere Pleuel zu verwenden, die zunächst eine geringgere Reibung durch Verminderung der Kolbennormalkräfte verursachen. Auch ergeben sich dadurch Verbesserungen der Geräuschabstrahlung einer derartigen Brennkraftmaschine. Außerdem wird es jetzt möglich, den Kolbenschwerpunkt mit dem Pleuelanlenkpunkt zusammenzulegen, wodurch die durch die Massenkräfte des Kolbens bewirkten Kippmomente weitgehend beseitigt und die durch die Gaskräfte bewirkten Kippmomente des Kolbens verringert werden. Auch hierdurch werden Reibungs- und Geräuschminderungen erzielt. Darüberhinaus läßt sich das Kolbengewicht, beispielsweise auch durch Verwendung von Kunststoff, insbesbnere bei dem inneren Kolbenteil, reduzieren, was ebenfalls zu Reibungs- und Geräuschverringerungen führt.
• Schließlich sei auch darauf hingewiesen9 daß durch die Trennung der Kolbenfunktionen, nämlich der Kraftübertragungs- und der Dichtiunktion, sich weitere Vorteile erzielen lassen. Diese bestehen zum einen darin, daß durch die Entlastung des Kolbenhemds von der Kraftübertragung und durch die Vorschrift, eine Berührung zwischen dem Innenteil und dem äußeren Kolbenteil nur am Kolbenboden vorzusehen, eine günstige Massenverteilung an den Kolbenteilen erreicht werden kann, die es zum Beispiel ermöglicht, die früher übliche und hauptsächlich durch die ungleichmäßige Massenverteilung bedingte Ovalität der Kolben zu verlassen und diesen, soweit es die Zylinderverzüge erlauben, kreisrund herzustellen, was erhebliche Fertigungserleichterungen bedeutet. Aufgrund der Trennung der Kolbenfunktionen wird es darüberhinaus möglich, den einzelnen Aufgaben der Bauteile entsprechende, gegebenenfalls auch neue Werkstoffe einzusetzen. Insbesondere die Innenteile des Kolbens können dann in moderner Kunststoff-Technologie ausgeführt werden.
• Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.
• Die Zeichnung zeigt verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in teils schematischer Darstellungsweise, die im folgenden näher erläutert werden. So zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemaßen, aus einem äußeren und einem inneren Kolbentei] bestehenden Kolben für eine HubkoAben-Brcnnkraftmaschine, Figur 2 einen Schnitt gemäß den Schnittlinien II-II nach Figur 1,

  Figuren weitere unterschiedliche Ausführungsvarianten des

  3 - 7 J erfindungsgemäßen Kolbens jewei]s im Schnitt.

• In der Zeichnung sind jeweils für gleiche oder vergleichbare Bauteile die gleichen, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Strichen versehenen Bezugszeichen verwendet. So ist in den Figuren 1 und 2 ein Kolben für eine herkömmliche Rubkolben-Brennkraftmaschine gezeigt, der insgesamt mit 1 bezeichnet ist und der aus einem äußeren, einen Kolbenboden 4 und ein Kolbenhemd 5 umfassenden ersten Kolbenteil 2 sowie einem inneren Kolbenteil 3 besteht, das im wesentlichen die Anlenkstelle für das hier nicht weiter gezeigte Pleuel bildet, indem es zwei mit zylindrischen, senkrecht zur Kolbenachse verlaufenden Bohrungen 9 versehene Lagerstühle 8 aufweist. Diese Lagerbohrungen 9 dienen zur Aufnahme eines hier nicht gezeigten, herkömmlichen Kolbenbolzens, der in üblicher Weise durch eine an dem kolbenseitigen Auge des Pleuels angeordnete Bohrung greift. In axialer Richtung kann dieser Kolbenbolzen z.B. durch in Nuten 10 eingreifende Sicherungsringe oder durch Klemmen fixiert werden.
• Das innere Kolbenteil 3 wird an dem Kolbenboden 4, beispielsweise unter Verwendung von durch Befestigungsbohrungen 25 oder in Gewindesacklöcher greifenden Schrauben befestigt. Die Befestigung dieses inneren Kolbenteils am Kolbenboden könnte jedoch auch durch Kleben, Schweißen, Reibschweißen oder durch andere bekannte Verbindungsverfahren, z ß auch mit Hilfe von Sicherungs- oder Sprengringen am oberen Teil des Kolbenhemds erfolgen.
• Wie aus der Figur 1 weiter ersichtlich ist, hat der innere, als Trägerteil für die Kolben-Pleuelverbindung dienende Kolbenteil 3 keine Verbindung zu dem seitlichen Kolbenhemd 5, so daß dieses eine vollkommen rotationssymmetrische Form annehmen kann, was Voraussetzung dafür ist, den Außenmantel des Kolbens kreisrung auszuführen. Eine weitere Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich ein auch im Betrieb kreisrund bleibende Zylinderbohrung.
• Die Lagerung des Kolbenbolzens nur in dem inneren Kolbenteil 3 ermöglicht es weiterhin, die Anlenkstelle des Pleuels sehr nahe dem Kolbenboden 4 etwa in Höhe der mit 6 und 7 bezeichneten Kolbenringe vorzusehen. Dadurch wird es zum einen möglich, die Kolbenbolzenachse 11, die den Pleuelanlenkpunkt bildet, in den Schwerpunkt des Gesamtkolbens 1 zu legen, so daß Kippmomente, die früher durch die bei der Pleuelschwenkbewegung auftretenden Massenkräfte des Kolbens verursacht wurden, weitgehend vermieden werden. Außerdem wird dadurch die Verwendung längerer Pleuel möglich, wodurch der Schwenkwinkel des Pleuels reduziert und damit letztlich auch die aus den Gaskräften herrührenden, die Gleitbahn belastenden Querkräfte verringert werden.
• Eine derartig hohe Anordnung des Pleuelanlenkpunktes war bei herkömmlichen, einstückigen Kolben schon deshalb nicht möglich, weil die zur Lagerungies Kolbenbolzens vorgesehenen Kolbenaugen einen Mindestabstand zu den Kolbenringen halten mußten.
• Bei der Ausführung nach der Figur 3 reduziert sich das innere Kolbenteil 3' zu zwei einfachen Lagerdeckeln 12, die mit den an der Innenseite des Kolbenbodens 4' vorgesehenen Lagerstühlen 13 zur Halterung des hier ebenfalls nicht gezeigten Kolbenbolzens verbindbar sind.
• Mit 14 sind Durchgangsbohrungen im Kolbenboden 4' angedeutet, während 15 Ausnehmungen an der Oberseite des KolbenbodenD uarstellen, in denen die Köpfe der zur Befestigung der Lagerueckel etwa vorzusehenden Schrauben eingelassen sind.
• Die Figur 4 zeigt eine Ausführung, bei der das innere Kolbenteil 3" ebenfalls aus zwei Teilen besteht, die jeweils als Lagerstühle 16 und 18 zur Halterung eines Kolbenbolzens 17 ausgebildet sein können.
• Bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführung ergibt sich noch eine Besonderheit insofern, als dort der Kolbenbolzen 17 einstückig mit dem einen Lagerteil 16 verbunden ist und lediglich mit einem stumpfartigen Fortsatz 20 in einer Ausnehmung 19 des zweiten Lagerteils 18 gehalten ist.
• Die Montage dieses Kolbens wie auch der anderen Kolbenausführungen erfolgt dabei in der Weise, daß zunächst das innere Kolbenteil zusammen mit dem Pleuel vormontiert wird und daß dieses dann durch entsprechende Verbindung an dem Boden 4 des ersten Kolbenteils 2 befestigt wird.
• Bei der Ausführung nach der Figur 5 ist das Pleuel 21' als Hammerkopfpleuel ausgebildet, indem an dem kolbenseitigen Ende des Pleuels beidseitig angeformte Bolzenenden 22 angebracht sind, die in zylindrischen Lagerausnehmungen 24 des lagerstuhlähnlichen Innenteils 3''' des Kolbens gehalten sind. Auch hier kann das innere Kolbenteil 3"' aus einem oder aus zwei Teilen 23 bestehen, die jeweils einem Bolzenende 22 zugeordnet sind.
• Eine weitere, hier nicht dargestellte Möglichkeit besteht darin, ganz auf ein besonderes zweites Kolbenteil als Lagerträger für den Kolbenbolzen zu verzichten und dafür die über das Pleuelauge hinausragenden Bereiche des Kolbenbolzens unmittelbar zur Befestigung an dem ersten Kolbenteil, nämlich am Kolbenboden heranzuziehen.
• Dies läßt sich auf einfache Weise bei aus Vollmaterial bestehenden Kolbenbolzen durch Abflachung ihrer Enden erreichen, die dann direkt an entsprechenden Aufnahmen des Kolbenbodens, beispielsweise durch Verschraubung, befestigt werden.
• Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Kolbenausführung zeigt die Figur 6, bei der das innere Kolbenteil 31Y neben der Bohrung 9 für den hier wieder nicht dargestellten Kolbenbolzen auch das untere Kolbenhemd 5b umfaßt, während das erste, äußere Kolbenteil 2" aus dem die Kolbenringe 6 und 7 umfassenden Kolbenbereich 5a und dem Kolbenboden 4 besteht. Die Verbindung der beiden Kolbenteile 2" und 5tv könnte hierbei entweder in dem mit 28 angedeuteten Ringbereich zwischen dem Kolbenringpaket 5a und dem Kolbenhemd 5b durch Elektronenstrahl-Schweißen, Kleben oder dgl. oder aber auch durch Verschraubung, Verstiftung oder Einschrumpfen in dem zylindrischen Berührbereich zwischen der Außenwand 26 des inneren Kolbenteils 3'V und der Innenwand 27 des äußeren Kolbenteils 2?? erfolgen. Als Beispiel ist dazu eine Verstiftung mittels Querstiften 25 angedeutet.
• Schließlich ist in der Figur 7 noch eine Ausführung gezeigt, bei der die beiden Kolbenteile 2ist1 und 3-r streng konzentrisch zueinander angeordnet und im Bereich des Kolbenbodens 411 durch eine kreisförmig umlaufende Teilfuge getrennt sind. Das äußere Kolbenteil 2"' weist danach den Kolbenmantel mit den Kolbenringen 6, 7 und dem Kolbenhemd 5 auf, während das innere Kolbenteil 3 neben den die Lagerbohrungen 9 für den Kolbenbolzen aufneimenden Lagerstühlen 8 auch noch den Kolbenboden 4" umfaßt. Die VerbiiL-dung zwischen den beiden Kolbenteilen erfolgt dabei in dem ringzylindrischen Berührungsbereich 30 z.B. durch eine Verschweißung mittels E ektronenstrahlschweißen. Auch eine Verklebung, Verschraubung oder ein Schrumpfsitz wäre möglich. In diesem Ausführungsbeispiel wäre eine klare Trennung zwischen den einzelnen Punktionen des Kolbens erreicht, indem das innere Kolbenteil 3 die Kraftübertragung vom Kolbenboden auf das Pleuel übernimmt, während die Führungs-und Dichtungsaufgaben von dem äußeren Kolbenteil 2"' wahrgenommen werden.
• Wie bereits früher angedeutet wurde, können sich besondere Vorteile bei der erfindungsgemäßen Kolbenausbildung dadurch ergeben, daß die beiden Kolbenteile aus unterschiedlichen, den jeweiligen Anforderungen besonders angepaßten Werkstoffen gefertigt werden.
• So können insbenondere die Kolbeninnenteile aus einem Kunststoff oder Verbnndwerkstoff, gegebenenfalls auch aus einem Keramikmaterial, hergestellt werden, wobei aufgrund der neuen Formgebung diesen Werkstoffen entsprechende Fertigungstechnologien angewendet werden können.
• Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß auch die relativ vieien AusführungsSeispiele die Erfindung nicht etwa sind schränken sollen Vielmehr wird die Zahl der gemaß der Erfin dung ausführbaren Kolbenkonstruktionen schon wesentlich grö-Ber, wenn beispielsweise die einzelnen Gestaltungsmerkmale der Beispiele miteinander kombiniert werden.
• Leerseite

Claims (10)

1. ANSPRÜ CRE Geteilter Kolben für eine Rubkolben-Brennkraftmaschine, der aus einem äußeren, zumindest den Kolbenringbereich des Kolbenmanteis umfassenden ersten Kolbenteil und einem inneren, die Anlenkstelle für ein Pleuel aufweisenden, an dem ersten Kolbenteil befestigbaren zweiten Kolbenteil besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kolbenteil (3) in der Weise ausgebildet und an dem ersten Kolbenteil (2) befestigbar ist, daß die Pleuelanlenkstelle (11) im wesentlichen im Schwerpunkt des gesamten Kolbens (1) etwa in Höhe der am Kolbenhemd vorgesehenen Kolbenringe (6, 7) angeordnet ist.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kolbenteil (3) ohne Berührung mit dem Kolbenhemd (5) nur an dem dem ersten Kolbenteil (2) zugeordneten Kolbenboden (4) befestigt ist.
3. 3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kolbenteil (3', 7") aus getrennt am Kolbenboden (4, 4') befestigbaren, als Lager für einen das Pleuel (21) haltenden Kolbenbolzen (17) ausgebildeten Einzelteilen (12; 16, 18) besteht.
4. 4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (4') des erstenXolbenteils (2') an seiner Innenseite Lagerstühle (13) zur Lagerung des Kolbenbolzens aufweist und daß das zweite Kolbenteil (3') aus die Lagerstühle abdeckenden, an dem Kolbenboden (4') befestigbaren Lagerdekkeln (12) besteht.
5. 5. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen in den aus dem Pleuelauge herausragenden Bereichen zur direkten Befestigung am ersten Kolbenteil ausgebildet ist.
6. 6. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (17) als integriertes Teil eines (16) der beiden Lagereinzelteile (16, 18) auægebí let ist und mit dem anderen Lagerteil (18) formschlüssig verbindbar ist.
7. 7. Kolben nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich£ct, daß der Kolbenbolzen (22) einstückig an dem Pleuel (21') ausgebildet ist.
8. 8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kolbenteil (31V) neben der Anlenkstelle für das Pleuel auch das Kolbenhemd (5b) aufweist, während das erste Kolbenteil (2") den Kolbenringbereich des Kolbenmantels (5a) und den Kolbenboden (4) umfaßt.
9. 9. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kolbenteil (2''') den Bereich der Kolbenringe (6, 7) und das Kolbenhemd (5) aufweist und mit dem die Anlenkstelle für das Pleuel sowie den Kolbenboden (4') aufweisenden, konzentrisch zum ersten Kolbenteil angeordneten zweiten Kolbent-i (3V ) im Bereich einer ringzylindrischen Berührungsläche (30) verbunden ist.
10. 10. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das zweite Kolbenteil (3) aus einem Kunststoff- oder Verbundwerkstoff besteht.