DE2651727A1

DE2651727A1 - Kreuzkopfkolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2651727A1
Application number: DE19762651727
Authority: DE
Inventors: John Meade Beardmore
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1976-11-11
Publication date: 1977-06-30
Also published as: GB1501330A; JPS5270214A; JPS5238168B2; CA1052202A; US3983793A

Description

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General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.St.A.

Kreuzkopfkolben für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzkopfkolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenkopf, einem inneren Kolbenmantel mit einer ringförmigen Aussparung an der Aussenfläche und einem die beiden Teile schwenkbar verbindenden Kolbenbolzen, wobei eine schwache Winkelbewegung zwischen beiden Teilen gestattet ist.

Ein derartiger Kreuzkopfkolben ist beispielsweise durch die US-PS 1 283 865 bekannt.

Bei bekannten Kolben dieser Art ist der Kolbenkop aus einem verhältnismässig festen Werkstoff gebildet, während der Kolbenmantel aus erhältnismässig leichtem Werkstoff besteht

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I Es wurde festgestellt, dass' bei gewissen Brennkraftmaschinen, ! vorzugsweise Zweitakt-Diesel maschinen, die wesentlichste Quelle - für mechanische Geräusche durch Schlagen des Kolbens bedingt ^: ist. Es könnte somit eine wesentliche Senkung der mechanischen Geräusche dadurch erzielt werden, dass das Schlagen der Kolben vermindert wird. In diesem Zusammenhang sind einige Parameter ■ wesentlich, nämlich das Spiel zwischen Kolben und Laufbüchse, ^: die Dämpfung der Bewegung zwischen Kolben und Laufbuchse, die ι Masse des Kolbens und die Quersteifigkeit des Kolbens. Hierbei ' ist angenommen, dass keine Änderungen der Verbrennungseigen-

: schäften, nämlich Spitzendruck und Drehzahländerungen, auf- ^: treten.

I Von den erwähnten Einflüssen würde eine Verringerung der Quersteifigkeit des Kolbens besonders v/irksam sein,

^: wenn also eine relativ niedrige Federrate für den Kolbenmantel vorgesehen werden könnte. Bei den meisten bekannten Kolbenbauarten wird jedoch der Kolbenmantel zur Wärmeübertragung zwischen

j Kolben und Laufbüchse herangezogen, wodurch sich eine für die

j Geräuschdämpfung unbefriedigende Begrenzung der Verringerung

I der Quersteifigkeit des Kolbens ergibt. Bei bestimmten Kreuz-

I kopfkolbenbauarten, wie beispielsweise in der US-PS 3 555 972 beschrieben ist, haben Temperaturmessungen gezeigt, dass eine günstige Kolbenkühlung durch eine verstärkte Schmierölfzufuhr

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'. bewirkt werden kann, durch die sich Temperaturen im Kolbenmantel ergeben, die nur wenig über der Temperatur des Cles j im Sumpf liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzkopfkolben der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, . dass eine wesentlich verringerte Federrate des Kolbenmantels . bei einfachem Aufbau erzielt wird, ohne eine Zunahme der nie-' drigen Kolbenmantel temperatur en in Kauf nehmen zu müssen-r ' - - Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des

Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt j

sich aus dem Unteranspruch. j

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Mittellängsschnitt durch einen Kreuzkopfkolben nach deij Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt naoäi der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in Fig. 1 in grösserem Maßstabe und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des Kreuzkopfkolbens mit der zugeordneten Bleuelstange.

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Das Ausführungsbeispiel zeigt eine bevorzugte |

Ausführungsforra einer Kolben-Pleuelstangeneinheit 10 zur Verwen- ; dung in Brennkraftmaschinen hoher Leistung, vorzugsweise ■ Dieselniaschinen. Gemäss den Fig. 1 und 2 besteht die Einheit 10 aus einer Pleuelstange 12, deren unterer Teil der Einfachheit halber nicht gezeichnet ist, einem Kolbenbolzen 14 und einem Kolben 16. Der Kolben 16 besteht aus zwei Hauptbestandteilen, nämlich einen Kolbenkopf IS und einem Kolbenmantel 20.

Der Kolbenkopf 18 besteht aus einer Stirnplatte

22, die sich über die obere Stirnfläche erstreckt und bei einge-j bauter Maschine eine Viand einer Brennkammer bildet. Von dem ', äusseren Rand der Stirnplatte erstreckt sich ein äusserer Kolbenkopfmantel 23, in dem drei Ringnuten gebildet sind. Die ■ oberste Ringnut 24 dient zur Aufnahme eines Feuerrings, während idie beiden anderen Ringnuten 26 und 27 für Kolbenringe bestimmt i sind, und-von der obersten Ring-nut 24 durch einen dünnwandigen j Teil 28 getrennt sind. Unterhalb der dritten Ringnut 27 verjüngt

I sich der Kolbenkopfmantel zu einem Teil 30 kleineren Durchimessers, der eine Ringnut 32 für eine Dichtung enthält.

Der Kolbenkopf enthält ferner einen Lagerstuhl 133, der aus zwei nach unten gerichteten, den Kolbenbolzen 14 Iumgreifenden Wangen 34 besteht, die an ihren oberen Enden durch

■ein Joch 36 miteinander verbunden sind. Das "och ist durch

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: mehrere axial und radial gerichtete Säulen 37 mit der Stirnplatte; verbunden. Die Säulen 37 haben radial auswärts gerichtete Rippen 38, über die sie mit dem Kolbenkopfmantel und mit dem äusserem Rand der Stirnplatte verbunden sind.

Das Joch 36 weist eine nach unten gerichtete ; teilzylindrische Aussparung 40 auf, deren Achse quer zur ', Kolb'enachse liegt und koaxial zu Öffnungen 42 in den Wangen ^: liegen. Die Aussparung 40 endet in Umfangsrichtung in zwei j radialen Schultern 43 zur Aufnahme einer teilzylindrischen \ Lagerschale 44, deren Lagerfläche vorzugsweise mehrere nicht dargestellte Hüten zur Verteilung von Schmiermittel aufweist. • Eine nicht dargestellte Befestigungszunge am einen Ende der [ Lagerschale 44 wird in eine Aussparung des Joches hineinver- ! formt, um axiale Bewegungen der Lagerschale nach dem Einbau

_; zu verhindern. Zwischen den Wangen 34 und neben der Aussparung 40 ist das Joch durch einen schrägen Teil 48 nach aussen erweitert und endet in einem nach unten gerichteten Rand 50.

ΐSenkrecht durch die Teile 48 sind Ölabflusslöcher 52 gebohrt.

j An den unteren Enden der Wangen 34 ist zusätzliches Material

¹ vorgesehen, das weggearbeitet werden kann, um das richtige j Gewicht und einen Gleichgewichtszustand herstellen zu können, : In der Mitte des Joches und der Lagerschale sind Ölzulauflöcher | 54 bzw. 55 vorgesehen, die ausgerichtet zueinander sind. Die

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Lagerschale enthält ferner eine bogenförmige Aussparung 56 an der Innenfläche, die mit der Ölzulauföffnung 55 Verbindung hat und zu den nicht dargestellten Nuten in der Lauffläche der Lagerschale Verbindung hat.

Der Kolbenmantel 20 hat einen zylindrischen inneren Teil 57 mit kreisförmigen Öffnungen 60 zur Aufnahme des Kolbenbolzens, wenn der Kolbenkopf mit dem Kolbenmantel verbunden wird. Die Öffnungen 60 sind koaxial ausgerichtet zu den Öffnungen 42 im Kolbenkopf. Zwischen den Öffnungen sind über den Umfang radial einwärts gerichtete Rippen 62 innerhalb des Mantels vorgesehen. Flache Aussenkungen 63 sind nahe den ausseren Enden der Öffnungen 60 vorgesehen, : um Metalldeckel 64 aufzunehmen.

: Am oberen Ende ist der innere Kolbenmantel 57

ausgebohrt, um eine Ringschulter 66 zu bilden, die den Teil kleineren Durchmessers des Kolbenkopfes aufnimmt. Zwischen diesen beiden Teilen ist ein verhältnismässig kleines Spiel vorgesehen und die Abdichtung erfolgt durch einen metallischen Dichtring 67 mit sich überlappenden Enden, der in der Ringnut 32 des Kolbetikopfes aufgenommen ist und durch einen üblichen Spreizring 68 gespreizt gehalten wird.

Am unteren Ende hat der innere Kolbenmantel 57 zwei Ringnuten 72 zur Aufnahme von Ölringen, die dazu dienen,

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[ Öl abzustreifen, um eine gesteuerte ölmenge den Wandungen des j Zylinders zuzuteilen. Unterhalb jeder Ringnut 72 sind mehrere j Ölabflusslöcher 73 vorgesehen, um überschüssiges Öl in üblicher

; Weise abzuleiten.

; Der Kolbenkopf und der Kolbenmantel werden durch j

den zylindrischen Kolbenbolzen 14 zusammengehalten, der von S den Öffnungen 60 des Kolbenmantels und 42 des Kolbenkopfes

j aufgenommen wird und über einen wesentlichen Teil seiner Länge

: von der Lagerschale 44 abgestützt wird. Der Kolbenbolzen 14 ·; ist hohl und hat zueinander ausgerichtete obere und untere ; radiale Löcher 76 und 77. Ferner sind beiderseits des unteren ! Loches 77-zwei Löcher 78 vorgesehen.

: Der Kolbenbolzen 14 ist gegen den Laygerstuhl 80

i der Pleuelstange 12 durch Schrauben 83 gehalten, die sich ! durch Löcher 84 in der Pleuelstange und Löcher 78 im Kolbenbolzen erstrecken und in Gewindelöcher 85 einer Mutter 86 einschraubbar sind, die innerhalb des Kolbenbolzens 14 vorgesehen ist. Falls gewünscht, kann die Pleuelstange und die Mutter in bekannter Weise so angeordnet werden, dass der Kolbenbolzen eine Vorspannung in einem ovalen Querschnitt bei unbelastetem Zustand erhält. Die Mutter 86 enthält ebenfalls ein zentrales Loch 87, das zu den Löchern 76 und 77 im Kolbenbolzen ausgerichtet ist und zusammen mit diesen ein Rohr 88 enthält, um

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einen Ölkanal quer durch den Kolbenbolzen zu bilden. Nach dem Zusammenbau ist das Rohr 38 zu einem gebohrten Kanal 90 ausgerichtet, der sich in Längsrichtung durch die Pleuelstange 12 erstreckt.

Im Betrieb wird Öl von der Schmieranlage der Brennkraftmaschine über den Kanal 90 in der Pleuelstange 12 und das Rohr 88 in den Kolbenbolzen zur Aussparung 5β in der Lagerschale geleitet, von wo ein Teil des öles über die Oberfläche der Lagerschale über die nicht dargestellten Muten verteilt wird, um die Lagerfläche zu schmieren. Der grösste Teil des zugeführten öles fliesst weiter durch die Löcher 55 und 54-der Lagerschale und des Joches und gelangt in den Raum unterhalb der Stirnplatte des Kolbenkopfes und wird durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens gegen deren Innenfläche geschleudert. Hierdurch wird die Stirnplatte,der Kolbenkopfmantel sowie die Säulen im Kolbenkopf gekühlt. Das öl kann nicht frei aus diesem Bereich abströmen, da im Bereich des j Randes' 50 eine starke Prosselung vorliegt. Der /-bstrom wird j daher durch die.Abflusslöcher 52 in gesteuerter Weise vorge-

! nommen. j

Die Deckel 64 verhindern einen Austritt von öl,

j das den Kolbenbolzen schmiert. Nicht dargestellte Abflusslöcher· . sorgen für eine Rückkehr des Öles in das Kurbelgehäuse der :

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■ Brennkraftmaschine. *

; Die "bisher "beschriebene Ausgestaltung ist

I von üblicher Art und würde das übliche Schlagen des Kolbens

aufweisen, durch das vorwiegend die mechanischen Geräujtsche be- ^; dingt sind. Jedoch hat man festgestellt, dass beispielsweise

■ die Betriebstemperatur des Kolbenmantels nur etwa 5 C oberhalb

ι der Temperatur des Öles im Sumpf liegt, die 120 bis 125⁰C beträft \ In einigen Teilen des Zylinders kann eine höhere Temperatur vorliegen und bei mit Schleuderverdichtern aufgeladenen Brennkraftmaschinen kann die dem Zylinder zugeführte Luft sogar heisser sein, beispielsweise 150 C aufweisen.

Die Verbindung zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenmantel mittels des Kolbenbolzens gestattet eine kleine Relativbewegung, die sich aus den kinematischen Verhältnissen des Kurbeltriebs infolge der Seitenkräfte ergibt und daher nicht auf den Kolbenkopf übertragen wird. Der Kolbenkopf ist daher im wesentlichen nur den Verbrennungskräften und den Trägheits-

I kräften, die in der Achse des Zylinders wirken, ausgesetzt.

j Damit hat der Kolbenkopf eine verhältnismässig eindeutige Lage

j innerhalb des Zylinders, wodurch übermässige Abnutzung der

Kolbenringe durch wechselnde Anlage in den zugeordneten Ring« ■■ nuten vermieden ist. Diese axial wirkenden Kräfte sind im ¹ wesentlichen über die gesamte obere Stirnfläche des Kolbenkopfes

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-JO-verteilt und werden über den Lagerstuhl auf dttl· Kolbenbolzen

übertragen. Es wird hierdurch eine Konstruktion geschaffen, die bei hohen Betriebstemperaturen und hohen Leistungen- einwandfrei arbeitet.

■ Zur Verringerung der mechanischen Geräusche

ι durch Schlagen des Kolbens gegen die Zylinderwandung infolge , von Seitenkräften ist erfindungsgemäss ein äusserer Kolbenmantel mit hydraulischer und mechanischer Dämpfung vorgesehen. Der ; innere Kolbenmantel 57 enthält eine Aussparung 100 kleineren j Durchmessers, die am unteren Ende durch eine radiale Schulter 102 unterhalb der den Kolbenbolzen 60 aufnehmenden Öffnungen

j und am oberen Ende durch eine radiale Schulter 104 begrenzt ist,

; die unterhalb des Kolbenkopfmantels 23 liegt. Die Aussparung dient der Aufnahme eines dünnwandigen äusseren Kolbenmantels 106, der von dem inneren Mantel durch ein Dämpfungsglied 108 j aus elastomerem Werkstoff und verhältnismässig kleiner Federrate getrennt ist. Das Dämpfungsglied 108 ist mit seinen beiden Grossflächen mit den beiden Kolbenmänteln 57 und 106 verbunden.

Das Dämpfungsglied 108 ist an der inneren Mantelfläche 110 diagonal entgegen den Bereichen, in denen Seitenkräfte auftreten, mit axial gerichteten Winkelabstand voneinander aufweisenden Aussparungen 112 versehen, die mit der zylindrischen Mantelfläche der Aussparung 100 am inneren

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Kolbenmantel Ölkammern 114 begrenzen, die sich radial auswärts

dicht an der inneren Mantelfläche des äusseren Kolbenmantels 106 erstrecken. Die Ölkammern 114 enden nahe den Enden des Dämpfungsgliedes 108, erstrecken sich also im wesentlichen über die gesamte Länge des äusseren Kolbenmantels 106. Der ! innere Kolbenmantel 57 ist nahe seinem oberen Ende mit verhält- ! nismässig grossen Öffnungen 116 zu seiner Innenfläche versehen, die in die Ölkammern 114 münden und auf der anderen Seite Verbindung zum Raum innerhalb des Kolbenkopfes oberhalb des Lagerstuhls 33 haben. Der innere Kolbenmantel 57 hat nahe

dem unteren Ende verhältnismässig kleine Öffnungen 118, die i
j in die Ölkammern 114 münden, während ihre anderen Enden das

Öl zum Abfluss zum Sumpf ableiten. Der äussere Kolbenmantel und das Dämpfungsglied 108 weisen ferner Öffnungen 120 und j auf, um die Deckel 64 einbringen zu können.

Der durch elastomeren Werkstoff abgestützte äussere Kolbenmantel 106 erstreckt sich radial auswärts über den Kolbenkopfmantel 23 und den die Ringnuten 72 für die Ölabstreifringe enthaltenden Teil des inneren Kolbenmantels 57, so dass er eine gleitende Abstützung an der Zylinderwand bildet und das Spiel zwischen dem Zylinder und dem Kolbenkopf bzw. dem inneren Kolbenmantel aufrechterhält. Tritt eine Seitenkraft auf, so verteilt das Dämpfungsglied 108 durch die Volumen-

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Veränderung der Ölkammern 114 diese Kräfte und überträgt sie von dem inneren Kolbenmantel 57 auf den äusseren Kolbenmantel wobei durch die kleine Federrate des elastomeren Dämpfungsgliedes und die gegebene erhebliche Energieverzehr Geräusche infolge des KoIbenschiagens wesentlich vermindert werden. Beispielsweise kann die erlaubte Bewegung des äusseren Kolbenmantel - 106 auf eine Seitenkraft abgestimmt sein, die eine Verdichtung des Dämpfungsgliedes 108 zwischen 0,25 bis 0,38 mm in beiden ι Richtungen von der in Fig. 2 gezeigten Mittelage bewirkt. Um maximale Seitenkräfte von etwa 450 kg aufzunehmen, ist die erforderliche Federrate des elastomeren Dämpfungsgliedes bei maximaler Abweichung nur auf 4,600 bis 7,000 kg/cm" zu bemessen. Bei Verwendung eines einfachen Kolbenmantels wären Federraten von 35,000 bis 70,000 erforderlich. Der Unterschied zwischen einem durch elastomeren Werkstoff abgestützten äusseren Kolbenmantel und einem üblichen einfachen Kolbenmantel wird ausgeprägter zum Ausdruck gebracht durch die Tatsache, dass die Federrate während der ersten Bexvegung um 0,025 mm nur 0,07 kg/cm betragen würde.

Ferner kann der aussere Kolbenmantel 106 im

Verhältnis zum inneren Kolbenmantel 57 sehr dünnwandig ausgebildet werden, so dass er leicht in eine zylindrische Form verformbar ist und eine bessere Anlage am Zylinder erhält als

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j ein normaler einzelner Kolbenmantel. Zweckmässig ist der äussere ι Rollenmantel mit einem geschmeidigen Eisen platiert, während der innere Kolbenmantel aus Gewichtsersparnisgründen aus Aluminium besteht, v/ährend üblicher Weise hierfür der gleiche Werkstoff wie für den Kolbenkopf, nämlich Gusseisen, verwendet wird. Jedoch ist der wesentlichste Zweck der elastomeren Abstützung des äusseren Kolbenmantels der, die Wirkung von Seitenkräften des Kolbens abzufangen und damit mechanische Geräusche zu verringern, während die Abdichtung von untergeordneter Bedeutung ist, da diese nach wie* vor von den Ölabstreifringen im unteren Teil des inneren Kolbenmantels bewirkt wird.

Da elastomere Werkstoffe verhältnismässig schlechte Wärmeleiter sind, könnte dies zu einer wesentlich höheren Temperatur des äusseren Kolbenmantels führen als dies bei einfachen Kolbenmänteln der Fall ist. Dies wird jedoch durch die Ölkammern 114 veränderlichen Volumens verhindert, die eine Kühlung des äusseren Kolbenmantels durch Öl bewirken und ausserdem auch eine Dämpfungswirkung ausüben. Das in den Innenraum des Kolbenkopfes geschleuderte Öl fliesst zu einem Teil durch die grossen Öffnungen 116 in den oberen Teil der Ölkammern und verlässt diese durch die kleineren Öffnungen 118 im unteren j Bereich, nachdem das Öl sich im wesentlichen über die gesamte

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Dränge des Dämpfungsgliedes 100 bewegt hat. Dieses öl wirkt als Kühlmittel für den elastoineren Werkstoff und führt auch die : Warme aus dem äusseren Kolbenmantel ab, so dass dieser keine übermässigen Temperaturen annimmt. Die kleineren Öffnungen drosseln den Durchstrom, so dass die Ölkammern immer mit öl gefüllt sind. Um die Kühlv/irkung zu erhöhen, wäre es möglich, ■ die Aussparungen 112 in dem elastomeren Werkstoff radial . auswärts zu erweitern, so dass gegebenenfalls die Innenmantelfläche des äusseren Kolbenmantels 106 die Begrenzung der Ölkammern 114 bildet. Es ergäbe sich dann eine unmittelbare Be- ; rührung des Kühlöles mit dem äusseren Kolbenmantel. Weiterhin '■ werden aber die Ölkammern 114 bei einer radial auftreffenden Seitenkraft zusammengedrückt, so dass öl über die Öffnungen 116 und 118 verdrängt wird, wodurch eine Stossdämpferwirkung eintritt, die das Geräusche verursachende Schlagen des Kolbens ! verringert. Bei einer Ausführungsform, bei der die Temperaturen des äusseren Kolbenmantels wie bei bekannten Bauarten aufrecht-. erhalten werden konnten, obwohl die mechanischen Geräusche J wesentlich herabgesetzt waren, hatten die grossen Öffnungen 116

j einen Durchmesser von etwa 5,2 mm und die kleinen Öffnungen 118

einen Durchmesser von 1,6 mm.

Die Grosse dieser Öffnungen ist,abhängig von der jeweiligen Kolbenbauart und den Eigenschaften der Maschinen, in die die Kolben eingesetzt werden sollen, unterschiedlich zu bestimmen.

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Claims

Patentansprüche

Iy Kreuzkopfkolben für Brennkraftmaschinen mit einem Kolbenkopf, einem inneren Kolbenmantel mit einer ringförmigen Aussparung an der Aussenfläche und einem aie schwenkjbar verbindenden Kolbenbolzen, wobei eine schwache Winkelbewej gung zv;ischen beiden Teilen gestattet ist, dadurch

!gekennzeichnet, dass in der ringförmigen Aus-

;sparung (100) des inneren Kolbenmantels (57) ein zylindrischer j äusserer Kolbenmantel (106) angeordnet ist und zwischen beiden I Kolbenmänteln mit diesen verbunden ein zylindrischer Dämpf ungsiteil (108) aus elastomerem Werkstoff vorgesehen ist, der in

j Längsrichtung sich erstreckende dehnbare Kammern (114) enthält, j deren Volumen sich mit Änderung auftretender radialer Seitenkräfte ändert, und an in Längsrichtung Abstand voneinander aufweisenden Stellen Verbindung zu gedrosselten Öffnungen (116,118) die sich durch den inneren Kalbenmantel (57) erstrecken, haben und dass sich der äussere Kolbenmantel radial weiter erstreckt als der Kolbenkopf (18) und der inneren Kolbenmantel.

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2. Kreuzkopfkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den Kammern (114) in Verbindung stehenden Öffnungen (116 bzw. 118) an den Enden der Kammern vorgesehen sind und die Öffnungen (116) am oberen Ende einen grossen Durchmesser und die Öffnungen (118) am unteren Ende einen kleinen Durchmesser aufweisen.

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