EP0030399A1 - Light metal piston - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a light metal control piston.
- the light metal piston as a transmission element of the thermal into mechanical energy has become indispensable in modern internal combustion engine construction. A large number of requirements are placed on such a piston in all operating states. It is always the goal to achieve good straightness with the light alloy piston, despite the very different thermal expansion coefficient of the piston material compared to gray cast iron cylinders.
- the cylinder of the internal combustion engine deforms in the radial and axial direction under the thermal load and the acting gas pressures and hardly maintains its cylindrical shape.
- the piston must follow these deformations and through play and elasticity allow an adjustment, but too high elasticities have a disadvantageous effect.
- the control characteristic of the piston is determined by the coefficient of expansion and the temperature gradient between the piston head and shaft. Expansion coefficient and temperature gradient are different for each piston type and are influenced by design and engine-specific measures.
- the running behavior of a piston is essentially determined by the play behavior in the operating phase. It is therefore a priority to be able to use a piston that has almost the same play behavior in all operating phases.
- Control pistons are used for this purpose, with which the natural expansion on the shaft is reduced in the running direction. Pistons are known for this, which separate the head and the ring field from the shaft via a transverse slot and which in some cases additionally have a steel insert on the shaft.
- Such constructions fulfill the control function satisfactorily, but can only be used to a limited extent due to inadequate structural strength.
- the transverse slot widens from the load-bearing areas of the shaft surfaces towards the pin bosses into the upper and lower shaft parts.
- the lower shaft part is connected to the pin hub, so that the upper and lower parts of the piston shaft are designed as sliding shoe-like tabs in the area of the supporting shaft surfaces.
- the shaft guide is therefore made in two parts.
- the expansion of the upper edge of the shaft is controlled by a control element and that of the lower edge of the shaft via the temperature control.
- the direct heat flow to the lower edge of the shaft is interrupted. A heat supply takes place just over the hub.
- the hub temperature is therefore significantly higher than the shaft temperature of the lower edge. Due to the temperature differences in one plane, the control effect is based on the increased expansion in the direction of the bolt.
- the inventive design of the piston skirt does not deform the lower edge when the upper edge is loaded or the upper edge of the piston skirt when the lower edge is loaded.
- the operating clearance of the lower edge is therefore not additionally increased when the upper edge is loaded, which ensures better shaft guidance and thus cheaper oil consumption.
- the height of the control member can also be made shorter than the previous control piston designs, which leads to an additional weight saving.
- any desired control value can be set on the upper and lower edge by constructively varying the wall thicknesses of the piston skirt parts. A reversal of the expansion coefficient is avoided.
- the piston skirt designed according to the invention can be realized in segment strips, ring strips, band strips and also in pistons with bimetal strips.
- the upper and lower edge forces are recorded separately.
- the constructive solution is mainly designed for the vertical absorption of forces. This applies to the shaft forces if the friction forces can be neglected. Since the frictional forces with a coefficient of friction of 0.01 are only 1% of the lateral forces, neglect is justified. The support area to the hub can therefore be made narrow.
- the upper shaft part is connected directly to the ring field, while the lower shaft part can be separated from the ring field with less load.
- the piston consists of the piston head 1, the upper part 2 and the lower part 3 of the piston skirt.
- the two piston skirt parts 2 and 3 are separated by a transverse slot 5 which extends approximately at the level of the pin bosses 4 and which extends from the regions 6, 6 'of the supporting shaft surfaces to the pin bosses 4 in an upward and downward arc.
- the lower shaft part 3 has a stiffening collar 7, which with the Bolt hub 4 is connected.
- a segment strip 9 is cast in between the pin bosses 4 and the lowest ring groove 8 as a control element.
- the control element 9 separates the upper edge of the upper shaft part 2 from the ring field by a gap which forms:
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Abstract
Um bei einem Leichtmetall-Regelkolben eine getrennte Regelung von Schaftober- und Schattunterkante zu erzielen sowie eine direkte Verformungsweitergabe zwischen Schaftober- und Schaftunterkante zu vermeiden und die Schattfläche zwischen der Schaftober- und Schaftunterkante zu verkleinern, ist der Kolbenschaft in Höhe der Bolzennaben (4) auf dem Umfang mit einem ganz oder teilweise umlaufenden Querschlitz (5) versehen.In order to achieve a separate regulation of the upper and lower edge of the shaft in a light metal control piston and to avoid a direct transfer of deformation between the upper and lower edge of the shaft and to reduce the shading area between the upper and lower edge of the shaft, the piston shaft must be at the level of the pin bosses (4) Provide the circumference with a completely or partially circumferential transverse slot (5).
Description
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetall-Regelkolben.The invention relates to a light metal control piston.
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.The light metal piston as a transmission element of the thermal into mechanical energy has become indispensable in modern internal combustion engine construction. A large number of requirements are placed on such a piston in all operating states. It is always the goal to achieve good straightness with the light alloy piston, despite the very different thermal expansion coefficient of the piston material compared to gray cast iron cylinders.
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.All such piston designs are based on the idea of preventing the undesired thermal increase in diameter of the piston with the aid of expansion-resistant steel inserts and of adapting the piston play in the pressure and counterpressure directions to the diameter of the cylinder under all possible operating conditions. This process is called the control effect.
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 fölgen und durch Spiel und Elastizität eine Anpassung ermöglichen, wobei sich zu hohe Elastizitäten jedoch nachteilig auswirken.The cylinder of the internal combustion engine deforms in the radial and axial direction under the thermal load and the acting gas pressures and hardly maintains its cylindrical shape. The piston must follow these deformations and through play and elasticity allow an adjustment, but too high elasticities have a disadvantageous effect.
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.When the upper edge is loaded, it deforms and, at the same time, the lower edge also deforms to an increased extent, as a result of which the rigidity of the piston skirt is impaired. Shaft stiffness is understood to mean the resistance to the deformation of the piston skirt under the action of force. When the piston tilts around the upper edge, the operating clearance becomes the lower edge. by this additional deflection amount due to the load on the upper edge. This increases the piston inclination at the same time, so that head striking and increased shaft noise are possible. Conversely, this also applies to tilting around the lower edge of the shaft.
Bei herkömmlichen Regelkolben tritt dieser Effekt verstärkt auf, da die Verformung von der steifen Schaftoberkante in überhöhtem Maße an die elastischere Schaftunterkante übertragen wird.With conventional control pistons, this effect occurs to a greater extent because the deformation is transmitted from the rigid upper edge of the shaft to an increased extent to the more elastic lower edge of the shaft.
Die Regelcharakteristik 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.The control characteristic of the piston is determined by the coefficient of expansion and the temperature gradient between the piston head and shaft. Expansion coefficient and temperature gradient are different for each piston type and are influenced by design and engine-specific measures.
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, Ölverbrauch3 Reibleistung und Gewicht geschlossen werden muß, weil sich Steifigkeit und Regelwirkung zum Teil gegenseitig beeinflussen.The interaction of piston play, control action and shaft deformation is decisive for the straight guidance of the piston. It should always be borne in mind that there is a compromise between the requirements of sufficient structural stability, smooth running, seizure protection, oil consumption 3 Friction power and weight must be closed, because the stiffness and the regulating effect partly influence each other.
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.The running behavior of a piston is essentially determined by the play behavior in the operating phase. It is therefore a priority to be able to use a piston that has almost the same play behavior in all operating phases. Control pistons are used for this purpose, with which the natural expansion on the shaft is reduced in the running direction. Pistons are known for this, which separate the head and the ring field from the shaft via a transverse slot and which in some cases additionally have a steel insert on the shaft. Such constructions fulfill the control function satisfactorily, but can only be used to a limited extent due to inadequate structural strength.
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 getrennte Steuerung der Regelwirkung von Schaftoberkante und Schaftunterkante nicht möglich.For reasons of strength and temperature, control pistons with steel inserts are used for motors with higher loads. Disadvantages with these constructions have emerged that either a poor regulating effect is achieved or, with a locally satisfactory regulating effect, there are strong differences in the regulating value between the upper and lower edge of the stem. In particular in the case of ring-shaped or band-shaped inlays in the region of the upper end of the shaft, a reversal of the regulating action is even found on the lower shaft, that is to say that larger expansion values are set than is given by the natural expansion of the base material. With all of these constructions there is one separate control of the control effect of the upper edge of the shaft and the lower edge of the shaft is not possible.
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.So that such pistons can be designed to be free from seizure at full load, there is usually a stronger local reduction in the grinding curve or a greater installation clearance is provided than is the case with slotted control pistons. This leads to an increase in play during cold start and part load, which has a disadvantageous effect on straight guidance behavior and piston noise. (The task of a good control piston is to have minimal play over the entire speed and load range.) The cheaper play behavior of a control piston with steel inserts leads to additional weight compared to an aluminum single-metal piston. However, the piston weight is increasingly limited due to the need for mass balance. As a further task, therefore, the requirement of lighter control pistons must be met.
Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, daß durch Reduzierung der Kolbenschaftfläche Reibleistungsverluste des Motors um 3 bis 5 % der Nutzleistung verringert werden können.In addition, tests have shown that by reducing the area of the piston skirt, friction losses in the engine can be reduced by 3 to 5% of the useful power.
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;
- - eine direkte Verformungsweitergabe zwischen Kolbenschaftober- und -unterkante verhindert;
- - und die Schaftfläche zwischen Schaftober- und -unterkante reduziert wird.
- - A separate regulation of the expansion coefficient of the upper and lower edges of the piston skirt with the possibility of setting specific expansion coefficients on the upper and lower edges of the skirt has been created;
- - prevents a direct transfer of deformation between the upper and lower edge of the piston skirt;
- - And the shaft area between the upper and lower edge of the shaft is reduced.
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.The solution to this problem can be seen in the fact that the piston skirt is provided at the level of the pin hubs on the entire circumference with a completely or partially circumferential transverse slot.
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.According to a further feature of the invention, the transverse slot widens from the load-bearing areas of the shaft surfaces towards the pin bosses into the upper and lower shaft parts.
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.The lower shaft part is connected to the pin hub, so that the upper and lower parts of the piston shaft are designed as sliding shoe-like tabs in the area of the supporting shaft surfaces. The shaft guide is therefore made in two parts.
Damit die Seitenkräfte von dem unteren Kolbenschaftteil aufgenommen werden können, ist dieser auf der Innenseite mit einem versteifenden Bund ausgestattet.So that the side forces can be absorbed by the lower piston skirt part, this is equipped with a stiffening collar on the inside.
Um eine optimale Riegelung zu erzielen, ist es zweckmäßig, im oberen Schaftteil ein Regelglied anzuordnen.In order to achieve optimal locking, it is advisable to arrange a control element in the upper part of the shaft.
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 nur über die Nabe. Die Nabentemperatur ist deshalb wesentlich höher als die Schafttemperatur der Unterkante. Die Regelwirkung beruht aufgrund der Temperaturunterschiede in einer Ebene auf der erhöhten Ausdehnung in Bolzenrichtung.In the proposed embodiment, the expansion of the upper edge of the shaft is controlled by a control element and that of the lower edge of the shaft via the temperature control. The direct heat flow to the lower edge of the shaft is interrupted. A heat supply takes place just over the hub. The hub temperature is therefore significantly higher than the shaft temperature of the lower edge. Due to the temperature differences in one plane, the control effect is based on the increased expansion in the direction of the bolt.
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.The inventive design of the piston skirt does not deform the lower edge when the upper edge is loaded or the upper edge of the piston skirt when the lower edge is loaded. The operating clearance of the lower edge is therefore not additionally increased when the upper edge is loaded, which ensures better shaft guidance and thus cheaper oil consumption.
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.Since the axial length of the upper part of the piston skirt is relatively short, the height of the control member can also be made shorter than the previous control piston designs, which leads to an additional weight saving.
Ferner werden an der Oberkante des Kolbenschafts bessere Regelwerte erzielt.Furthermore, better control values are achieved at the upper edge of the piston skirt.
Insgesamt kann durch konstruktive-Variierung der Wandstärken der Kolbenschaftteile jeder gewünschte Regelwert an Oberkante und Unterkante eingestellt werden. Eine Umkehr des Ausdehnungskoeffizienten wird vermieden.Overall, any desired control value can be set on the upper and lower edge by constructively varying the wall thicknesses of the piston skirt parts. A reversal of the expansion coefficient is avoided.
Eine aufgerichtete Schleifkurve mit guten Geradführungseigenschaften ist die Konsequenz. Der erfindungsgemäß ausgebildete Kolbenschaft läßt sich bei Segmentstreifen-, Ringstreifen-, Bandstreifen- als auch bei Kolben mit Bimetallstreifen verwirklichen.The result is an upright grinding curve with good straightness. The piston skirt designed according to the invention can be realized in segment strips, ring strips, band strips and also in pistons with bimetal strips.
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.The upper and lower edge forces are recorded separately. The constructive solution is mainly designed for the vertical absorption of forces. This applies to the shaft forces if the friction forces can be neglected. Since the frictional forces with a coefficient of friction of 0.01 are only 1% of the lateral forces, neglect is justified. The support area to the hub can therefore be made narrow.
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.In the case of a high-strength design of the piston, the upper shaft part is connected directly to the ring field, while the lower shaft part can be separated from the ring field with less load.
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.
- Fig. 1 shows a longitudinal section through the pressure / back pressure plane of the piston.
- Fig. 2 shows a longitudinal section through the bolt plane of the two piston halves and a side view of the right piston half.
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 4 verlaufenden Querschlitz 5 getrennt, der sich von den Bereichen 6, 6' der tragenden Schaftflächen zu den Bolzennaben 4 hin nach oben und unten bogenförmig erweitert. Der untere Schaftteil 3 weist einen versteifenden Bund 7 auf, der mit der Bolzennabe 4 verbunden ist. Zwischen den Bolzennaben 4 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:The piston consists of the
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