DE7602960U1 - Kolben fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

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(NEBEK DEM DEUTSCHEN PATENTAMT)

12. Mai 1976

PERKINS ENGINES LIMITED

1G-3597

Beschreibung zu der Gebrauchsmusteranmeldung betreffend

Kolben für Verbrennungskraftmaschinen

Die Erfindung betrifft Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.

Bekanntlich führen die hohen Temperaturen, die im Boden der Kolben von Verbrennungskraftmaschinen während des Betriebs herrschen, dazu, daß der Kolbenboden einer im wesentlichen gleichmäßigen Druckbeanspruchung ausgesetzt wird, die ein Durchbiegen des mittleren Teils des Kolbenbodens nach oben zur Folge hat. Ferner erzeugt bei einem Kolben, der durch einen Kolbenbolzen unterstützt wird, der Gasdruck, von dem angenommen wird, daß er gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Kolbenbodens wirkt, in dem Kolbenboden ein nach unten gerichtetes Biegemoment und eine Druckspannung längs der Achse des Kolbenbolzens sowie ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Biegemoment und eine entsprechende Zugspannung längs einer quer zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Linie.

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Diese Erscheinungen lassen sich beim Betrieb eines Hubkolbenmotors bekannter Art nicht vermeiden. Insbesondere bei Kolben, bei denen der Kolbenboden mit einer eine Brennkammer bildenden Vertiefung versehen ist, können diese Beanspruchungen zu einer Beschädigung des Kolbens führen. Besonders dann, wenn die die Brennkammer bildende Vertiefung mit einer überhängenden Lippe versehen ist, besteht die Gefahr, daß die auf die thermische Beanspruchung und die Gaskräfte zurückzuführenden Druckspannungen insgesamt bewirken, daß das Metall des Kolbenbodens und/oder der genannten Lippe nachgibt, sobald der Kolben heiß wird, und daß das Metall infolge der auf thermischem Wege hervorgerufenen Zugspannung aufreißt, wenn sich der Kolben abkühlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, bei dem das Entstehen solcher Risse durch entsprechende Maßnahmen vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Kolben geschaffen worden, der einen Kolbenboden aufweist, ferner einen sich daran anschließenden Kolbenmantel, ein erstes Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der einen Seite des Kolbens verbunden ist, sowie ein zweites Kolbenbolzenauge, das mit dem Kolbenboden auf der entgegengesetzten Seite-des Kolbens verbunden ist, und bei dem Verstärkungsabschnitte vorhanden sind, die mit dem Kolbenmantel verbunden sind, in ihn übergehen und die eine Seite des Kolbens mit der anderen Seite verbinden.

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Hierbei ist der Kolbenboden vorzugsweise mit einer Brennkammer versehen, die eine überhängende Lippe aufweist, und ferner ist jede der genannten Verstärkungen vorzugsweise mit dem Kolbenmantel zusammenhängend so ausgebildet, daß sie sich von dem ersten Kolbenbolzenauge zu dem zweiten Kolbenbolzenauge erstreckt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schernatischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kolben längs der Linie I-I in Fig. 2;

Fig. 2 die Draufsicht des Kolbens nach Fig. 1 bei Betrachtung desselben in Richtung des Pfeils II in Fig. 3;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 1 und 2 längs der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Kolbens längs der Linie IV-IV in Fig. 6;

Fig. 5 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 längs der Linie V-V in Fig. 4j und

Fig. 6 einen Schnitt durch den Kolben nach Fig. 4 und 5 längs der Linie VI-VI in Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Kolben 1 dargestellt, zu dem ein Kolbenboden 2 gehört, der eine Brennkammer 3 mit einer überhängenden Lippe 4 aufweist. An den Kolbe.^lKoden 2 schließt sich ein

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Kolbenmantel 5 an, an dem ein erstes Kolbenbolzenauge 6 und ein zweites Kolbenbolzenauge 7 ausgebildet sind, welche zügig sowohl in den Kolbenmantel 5 als auch in den Kolbenboden 2 übergehen. Die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 weisen Bohrungen 6a und 7a auf, die sich längs einer gemeinsamen Achse 10 erstrecken.

In Fig. 2 sind z\^ei Achsen x-x und y-y eingezeichnet, und die Pfeile S-, und S„ geben die Richtung der Spannungen an, die an den Punkten X und Y bei einer Temperaturerhöhung bzw. als Folge des Gasdrucks auftreten. Die Pfeile S- sind an beiden Punkten X und Y auf der Lippe 4 aufeinander zu gerichtet und bezeichnen die Druckspannungen, die an diesen Punkten vorhanden sind, wenn der Kolben heiß ist., An dem Punkt X sind die Pfeile S„ aufeinander zu gerichtet, und sie bezeichnen die Druckspannungen, die auftreten, wenn der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird. An diesem Punkt treten Druckspannungen auf, da die Gaskräfte von den durch einen Querabstand getrennten Kolbenbolzenaugen 6 und 7 aufgenommen werden, so daß ein Biegemoment auftritt, das bestrebt ist, den Kolbenboden nach unten durchzubiegen, wie es in Fig. 1 mit den Pfeilen M_G angedeutet ist. An dem Punkt Y sind die Pfeile S„ voneinander weg gerichtet, und sie stellen Zugspannungen dar, die auftreten, sobald der Kolben durch Gaskräfte beansprucht wird. An diesem Punkt treten Zugspannungen deshalb auf, weil die Kolbenbolzenaugen als Widerlager zur Wirkung kommen, so daß ein entgegengesetzt gerichtetes Biegemoment entsteht.·

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Da an dem Punkt Y eine Zugspannung S_G und, eine Druckspannung S_T auftreten, verringert sich an dieser Stelle die Größe der resultierenden Druckspannung, während sich an dem Punkt X die Spannungen S_Q und S™ addieren.

Gemäß der Erfindung wird die Spannung S_Q an dem Punkt X dadurch verringert, daß die Steifigkeit des Kolbens erhöht wird. Zu diesem Zweck werden zwei Verstärkungsrippen 8 und 9 an die Innenfläche des Kolbenmantels 5 angegossen, die so geformt sind, daß die Enden beider Rippen in die benachbarten Kolbenbolzenaugen 6 und 7 übergehen. Diese Verstärkungsrippen kommen als Zugglieder zur Wirkung, um die betreffenden voneinander abgewandten Seiten des Kolbenmantels 5 zusammenzuhalten und hierdurch die Druckspannungen zu verringern, welche längs der ganzen Achse x-x und insbesondere an dem gefährdeten Punkt X auf der Lippe 4 auftreten.

In Fig. 3 ist die bevorzugte Anordnung der VerstärKungsrippen 8 und 9 mit Vollinien dargestellt, und bei 8a, 9a sowie bei 8b, 9b sind weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Verstärkungsrippen mit gestrichelten Linien angedeutet. Sollen die Verstärkungsrippen 8 und 9 tiefer liegen als die Kolbenbolzenaugen 6 und 7, kann man sie so ausbilden, daß ihre Enden ineinander übergehen, und daß sie eine endlose ringförmige Rippe bilden.

Es ist ersichtlich, daß es sich bei den Rippen 8 und 9 um Zugglieder handelt, durch welche bei einer Beanspruchung des Kolbens die voneinander abgevandten Teile des Kolbenmantels 5

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so zusammengehalten werden, daß ihre Flexibilität eingeschränkt wird.

In Fig. 4, 5 @d 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Gemäß Fig. 4 weist der dargestellte Kolben 1 sämtliche vorstehend anhand von Fig. 1 bis 3 beschriebenen Merkmale 2 bis 7 auf, und er ist außerdem nahe dem unteren Ende des Kolbenmantels 5 mit einer unteren Kolbenringnut 20 versehen. Die kreuzweise schraffierten Flächenteile bezeichnen die gedachte Anordnung von die Kolbenbolzenaugen 6 und 7 miteinander verbindenden Verstärkungsabschnitten 21 und 22. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind durch Übergangsabschnitte 23 und mit dem Kolbenmantel 5 verbunden. Weitere Übergangsabschnitte 25 und 26 verbinden die kreuzweise schraffierten Bereiche und 22 mit der Unterseite des Kolbenbodens 2, so daß gemäß Fig. 4 eine gleichmäßig gekrümmte Wölbung 28 vorhanden ist. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 liegen auf gleicher Höhe mit der Achse 10 der Bohrungen 6a und 7a der Kolbenbolzenaugen 6 und 7, und die Wölbung 28 endet auf einem etwas tieferen Niveau. Gemäß Fig. 4 kann man den unteren Teil der Wölbung 28 so ausbilden, daß ihre Wände gegen eine senkrechte Achse jeweils um einen kleinen Winkel von z.B. 2° nach außen geneigt sind, damit sich der Kolben nach dem Gießen leicht der Gießform entnehmen läßt. Fig. 5 zeigt, daß die inneren Stirnflächen 30 und 31 der Kolbenbolzenaugen 6 und 7 nach oben aufeinander zu geneigt sind, um das zugehörige, hier nicht dargestellte obere Ende einer Pleuelstange aufnehmen zu können.

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Die Vor- und Nachteile dieser Konstruktion sind bekannt. Einer ihrer Vorteile besteht darin, daß die Druckspannung S_Q, die durch die Wirkung der Gaskräfte an dem Punkt X nach Fig. hervorgerufen wird, verkleinert wird. Gemäß Fig. 5 ist der Kolben 1 mit eingebohrten Ölkanälen 33 und 34 versehen, die jeweils in einer solchen Höhe angeordnet sind, daß sie die Olabstreifringnuten 36 und 20 mit dem Innenraum des Kolbens« verbinden.

Fig. 6 läßt die erfindungsgemäße Gestaltung des Kolbens deutlicher erkennen. Die Verstärkungsabschnitte 21 und 22 sind in Fig. 6 im Schnitt dargestellt; man kann sie als Zugglieder betrachten, die dem unteren Teil des Kolbens 1 zugeordnet sind und dazu dienen, einem Zusammenfallen des mittleren Teils des Kolbenbodens 2 entgegenzuwirken.

Im Vergleich zu dem Kolben nach Fig. 1 weist der Kolben nach Fig. 4 ein kostensparendes Merkmal auf, das darin besteht, daß auf der Innenseite des Kolbens keine Hinterschneidungen vorhanden sind, so daß sich der Kolben mit geringerem Kostenaufwand gießen läßt. Das Fehlen solcher Hinterschneidungen ermöglicht es außerdem, den Kolben unter Benutzung eines Werkzeugs zu schmieden, dessen Form der Innenform des Kolbens entspricht. Der Kolben nach Fig. 1 bedingt zwar einen höheren Kostenaufwand, da er nur unter Benutzung von Kernen gegossen werden kann, doch handelt es sich hierbei um einen Kolben von besonders hoher Festigkeit.

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Bei dom Kolben nach Fig. 1 brauchen die Rippen 8 und 9 nicht ■über ihre ganze Länge mit dem Kolbenmantel 5 verbunden zu sein, sondern sie können lediglich an ihren Enden mit dem Kolbenmantel zusammenhängen bzw. daran angebracht sein»

Wenn die Vertiefung 3 des Kolbenhodens 2 mit einer zusätzlichen Einrichtung, z.B. einem Einsatzstück 40, versehen ist, kann immer noch die Gefahr bestehen, daß Risse in einem gewissen Abstand vom Rand der Brennkammer entstehen, und auch für diesen Fall bietet die Erfindung die Möglichkeit,, hier in einem gewissen Ausmaß für Abhilfe zu sorgen. Dies geht aus Fig. 1 hervor, wo auf der linken Seite ein Einsatzstück 40 aus einem anderen Werkstoff dargestellt ist. Bei einer solchen Konstruktion können die Spannungen, die an dem Punkt Z auftreten, welcher dem Rand des Kolbenbodens 2 näher benachbart ist als der Punkt X, immer noch so hoch werden, daß sie zum Entstehen von Rissen führen könnten.

Ansprüche:

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ANSPRÜCHE

1. Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenboden, einem sich an den Kolbenboden anschließenden Kolbenmantel, einem mit dem Kolbenboden auf der einen Seite des Kolbens verbundenen ersten Kolbenbolzenauge und einem mit dem Kolbenboden auf der entgegengesetzten Seite des Kolbens verbundenen zweiten Kolbenbolzenauge, bei dem jedes Kolbenbolzenauge eine Bohrung zum Aufnehmen des zugehörigen Kolbenbolzens aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) vorhanden sind, von denen jeder an dem Kolbenmantel (5) angebracht ist, in den Kolbenmantel übergeht und jeweils eine Seite des Kolbens mit der entgegengesetzten Seite des Kolbens verbindet.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (2) mit einer eine überhängende Lippe (4) aufweisenden Brennkammer (3) versehen ist.

3» Kolben, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungsabschnitt (8, 9; 21,22) mit dem Kolbenmantel (5) zusammenhängend ausgebildet ist und sich von dem ersten Kolbenbolzenauge (6) zu dem zweiten Kolbenbolzenauge (7) erstreckt.

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4. Kolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) an seiner Oberseite zügig in die Unterseite (27) des Kolbenbodens (2) übergeht.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verstärkungsabschnitt (8, 9; 21, 22) bei Betrachtung des Kolbens in einer Schnittebene, die im rechten Winkel zur Achse (10) der Bohrungen (6a, 7a) der Kolbenbolzenaugen (6, 7) verläuft, an seiner Oberseite in Form einer gleichmäßigen Wölbung (28) in die Unterseite (27) des Kolbenbodens (2) übergeht und zwischen den Kolbenbolzenaugen angeordnet ist.

6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die untersten Enden der zügigen Wölbung (28) tiefer liegen als die Achse (10) der den Kolbenbolzen aufnehmenden Bohrungen (6a, 7a) der Kolbenbolzenaugen (6, 7).

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Innenraum des Kolbens so geformt ist, daß er keine Hinterschneidungen aufweist.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (2) mit einer Brennkammer (3) in Form einer einspringenden Aussparung versehen ist.

9. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Stirnflächen (30, 31) der Kolbenbolzenau^an (6, 7) in Hichtung auf den Kolbenboden (2) nach oben und innen geneigt sind, um das Aufnehmen eines sich verjüngenden Kolbenbolzenauges einer Pleuelstange zu ermöglichen.

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