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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Zum Ausgleich der erhöhten
Wärmeausdehnung von Leichtmetallkolben sind eine Reihe von Kolbenbauarten vorgeschlagen,
durchweiche die Wärmeausdehnung des Baustoffs herabgesetzt bzw. ausgeglichen werden
soll. So wurde versucht, durch Trennung von Kolbenkopf und Kolbenschaft und gleichzeitige
Verwendung von Aluminium für den Kolbenkopf bzw. Schwermetall für den Kolbenschaft
die Schwierigkeiten zu umgehen. Dabei entstanden jedoch neue Nachteile aus der Verbindung
dieser beiden verschiedenartigen Metalle. Auch das Eingießen von Stahlstreifen mit
geringer Wärmeausdehnung in den Kolbenschaft befriedigt noch nicht allgemein. Man
hat weiter versucht, den tragenden Kolbenschaftteil durch Querschlitze von der unmittelbaren
Verbindung mit dem Kolbenkopf zu trennen und lediglich durch rippenartige Versteifungen
mit den Kolbenbolzenaugen zu verbinden. Dabei wird die größere Temperaturdehnung
des Kolbenkopfes dazu benutzt, das Kolbenhemd in Richtung des Kolbenbolzens auszudehnen,
um so den gegenseitigen Abstand der tragenden Kolbenschaftteile bei allen Betriebstemperaturen
annähernd konstant zu halten. So wurde vorgeschlagen, den Kolbenschaft nur noch
aus den Gleitschuhflächen bestehen zu lassen. Hierbei ist allerdings wiederum die
Verbindung der - Gleitschuhflächen mit den Kolbenbolzenaugen nur durch eine schmale
Rippe sichergestellt, während oberhalb der Kolbenbolzenaugen die Gleitschuhflächen
bis unter die Kolbenbolzenaugen erweitert und hier nur noch durch einen Schlitz
voneinander getrennt sind. Diese Bauart ergibt unvermeidlich starke Durchbrechungen
des Kolbenhemdes, so daß nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit ein hoher Ölverbrauch
entsteht. Die Ausbildung eines Gleitschuhkolbens erfolgte auch bereits in der Weise,
daß an den beiden Druckseiten des Kolbens besondere Gleitstücke nachstellbar und
auswechselbar angeschraubt wurden. Es ist weiterhin der Vorschlag gemacht, die Kolbenbolzenaugen
nur mit dem Kolbenkopf zu verbinden und im Zusammenhang damit zwei konzentrische
Mantelteile anzuordnen, von denen der innere Ring mit den Kolbenbolzenaugen und
der äußere Ring durch um go° versetzte Verbindungsrippen mit dem inneren Ring verbunden
ist. Derartige Kolben kann man aber nicht als Gleitschuhkolben ansprechen. Insbesondere
läßt sich mit ihnen eine sehr wichtige Forderung nicht erfüllen, das ist ein gewisses
federndes Nachgeben der Druckseiten,
insbesondere an den Auflagestellen,
im Betrieb.
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Die zur Zeit geltenden Anschauungen über die Bauart von Leichtmetallkolben
erstreben eirr@@ ovale Form des Kolbens, bei der die kleine; Achse mit der Kolbenbolzenachse
zusamm fällt, bei der aber gleichzeitig die Kolbenbolz augen rippenartig mit dem
Kolbenkopf verbunden sind, um im Betrieb sich ausdehnen zu können. Die Folge einer
solchen Ausdehnung ist ein gewisses Zurückfedern der in der größeren Achse des Ovals
liegenden tragenden Mantelteile. Auf diese Weise wird eine dem hohen Ausdehnungskoeffizienten
der Aluminiumlegierungen entsprechende Ausdehnung des Kolbens im Betrieb bei höheren
Temperaturen vermieden. Es wird aber gleichzeitig das Bestreben sein müssen, trotz
der durch diese Spannungen entstehenden Verzerrung des Kolbenumfangs ein möglichst
kreisförmiges, dem Zylinderspiegel entsprechendes Segment als tragendes Gleitstück
beizubehalten. Man hat versucht, die Lösung dieses Problems auch durch einfache
Schlitze zu erreichen, welche die gleitenden Mantelteile von den übrigen abtrennen.
Hierbei wird jedoch gerade auch die. Zurückfederung der Druckseiten durch das Wachsen
der Kolbenbolzenachse verhindert.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine Verbesserung derartiger Gleitschuhkolben,
bei denen besondere Gleitstücke auf den Druckseiten vorgesehen sind. Zu diesem Zweck
wird zunächst in an sich bekannter Weise das Kolbenhemd vom Kolbenkopf durch waagerecht
verlaufende Querschlitze auf dem überwiegenden Teil des Umfangs getrennt, um den
Wärmeübergang vom Kolbenkopf auf die Gleitschuhe weitgehend zu unterbinden. Es wird
dann weiterhin das Kolbenbolzenlager sowohl mit dem Kolbenkopf durch Rippen wie
auch mit dem Kolbenhemd fest verbunden. Im übrigen wird aber das Kolbenhemd völlig
in sich geschlossen ausgebildet. Das Neuartige der Bauart liegt nun darin, daß das
in sich geschlossene Kolbenhemd an den die Gleitschuhe tragenden Seiten nicht der
Kreisform der Zylinderbohrung folgt, sondern zur Aufnahme der Gleitstücke gegenüber
der Zylinderbohrung eingezogen ist. In der vorzugsweisen Ausführungsform bildet
das Kolbenhemd hier also eine Art Sehne. Auf diese Sehne ist dann das eigentliche
Gleitstück, welches einen der Zylinderbohrung entsprechenden kreisbogenförmigen
Umfang besitzt, angesetzt und mit dem Kolbenhemd lediglich durch eine schmale Rippe
verbunden. -In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt.
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Dabei zeigt Abb. i einen Kolben im Längsschnitt, Abb. 2 den gleichen
Kolben im Querschnitt nach der Schnittlinie B-B der Abb. i. Der Kolbenkopf = ist,
wie üblich, durch den Querschlitz z auf nahezu den ganzen Umfang von dem tragenden
Kolbenschaftteil 3 getrennt. Iediglich die Rippen q. ergeben die Verbindung '2v#ischen
Kolbenbolzenaugen 5 und Kolben-"-.,:An die Rippen ¢ ist nun der nachgiebig ausgebildete
Kolbenschaft 6 angesetzt, der gegenüberliegende Einbuchtungen besitzt. An diesen
Stellen sind dann durch schmale Rippen 8 die gleitschuhartig ausgebildeten Tragflächen
7 angesetzt.
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Diese Bauart des Kolbens ermöglicht es, in bekannter Weise die größere
Temperaturdehnung des Kolbenkopfes in Richtung des Kolbenbolzens auf den etwas kälteren
Teil des Kolbenhemdes zu übertragen und diesen in Richtung des Kolbenbolzens zu
dehnen, so daß die Gleitschuhflächen auch bei höheren Betriebstemperaturen den gleichen
Abstand behalten können. Der Kolbenschaft selbst ist aber dabei völlig glattschaftig,
zeigt keine Schlitze gegen den Zylindermantel und unterstützt den Gleitschuh auf
nahezu der ganzen Länge. Der Gleitschuh sitzt auf dem, Kolbenschaft vielmehr wie
auf einer Art federnder Unterlage, so daß er im Betriebe immer etwas einwärts ausweichen
kann, sobald die Ausdehnung in der Wärme eine engere Anlagerung an den Zylinder
bewirken will. Dieses Federn wird gerade durch die schmale rippenartige Verbindung
möglich, während im übrigen die so entstehenden schmalen eingeschnittenen Nuten
den nötigen Spielraum für den Gleitschuh abgeben. Diese Nuten können entweder schon
im rohen Kolben vorgegossen, noch besser aber durch Einfräsen hergestellt werden.
Die vollständig geschlossene Form des Kolbenhemdes schließt andererseits das Kolbeninnere
dicht gegen den Zylinderspiegel ab, so daß der Ölverbrauch sparsam bleibt. Der besondere
Vorteil der neuen Kolbenbauart besteht in der Möglichkeit, das Einbauspiel des Kolbens
in kaltem Zustand erheblich zu verringern. Beispielsweise sei erwähnt, daß ein Kolben
aus einer Aluminium-Silicium-Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von
etwa 21 X =o-1, für den bei Kolben von etwa =o cm Durchmesser üblicherweise ein
Einbauspiel von o,io bis o,=5 mm erforderlich war, bei Ausführung gemäß Erfindung
mit einem Einbauspiel von nur 0,03 mm ohne Schwierigkeit auch einen Dauerbetrieb
ausgehalten hat.