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Kolben.
Die Erfindung betrifft einen insbesondere für Brennkraftmaschinen bestimmten Kolben aus Leichtmetall, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, der eine Anordnung besitzt, um die Ausdehnung der Druckflächen des Kolbens zu steuern.
Aus Leichtmetallen, z. B. Aluminiumlegierungen, hergestellte Kolben haben zwar verschiedene Vorteile, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie höhere Wärmedehnungszahlen besitzen, als dies bei aus Gusseisen hergestellten Kolben der Fall ist. Die höhere Wärmedehnungszahl des Aluminiums ver- ursacht Schwierigkeiten bei der Erzeugung eines Kolbens für Kraftfahrzeuge, da Kolben, die wie gewöhnliche Gusseisenkolben gebaut sind und mit genügend Spielraum im Zylinder eingebaut sind, um bei heisser Maschine das Steckenbleiben oder Verreiben der Kolben zu verhindern, bei ausgekühlter Maschine derart locker sitzen, dass die Maschine für Kraftfahrzeuge nicht verwendbar ist.
Zur Behebung dieser Schwierigkeit wurde bereits der Vorschlag gemacht, das bei thermostatischen Elementen angewendete Prinzip, nämlich die verschiedene Ausdehnung von zwei Metallen von verschiedenen Wärmedehnungszahlen, die bei Temperaturänderungen wie ein bimetallisches Element wirken, auszunutzen. Es wurde bereits versucht, den Kolbenmantel im Querschnitt oval auszugestalten, wobei der kürzere Durchmesser des Ovals in der Achse der Kolbenbolzenlager verläuft und die Kolbenringe aus einem Metallhergestellt sind, dessen Wärmedehnungszahl von jener des Kolbenmantels verschieden ist.
Die Erfindung betrifft nun einen Kolben, der einen aus Leichtmetall bestehenden Boden und einen mit Kolbenbolzenaugen und Druckflächen versehenen, im kalten Zustand ovalen Mantel besitzt, wobei die kurze Achse des Ovals mit der Achse der Kolbenbolzenaugen zusammenfällt und Mittel zur Steuerung der Mantelausdehnung vorgesehen sind ; diese biegen bei Temperaturerhöhung den Mantel zu einer zylindrischen Form und bestehen aus einem Paar bimetalliseher Elemente, die sich zwischen den Druckflächen erstrecken, wobei jedes Element äussere und innere Teile umfasst, von denen der innere Teil aus einem weniger ausdehnbaren Material als der äussere Teil besteht.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, dass jeder der inneren Teile der bimetallischen Elemente aus einem zwischen den Druckflächen sehnenartig sich erstreckenden Einsatzstück besteht, dessen obere und untere Kanten oberhalb bzw. unterhalb des Kolbenbolzenauges liegen.
Der Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform dargestellt. u. zw. zeigt Fig. 1 einen Kolben in Seitenansicht. Die Fig. 2 und 3 sind Schnitte nach den Linien 2-2 bzw. 3-3 der Fig. 1. Fig. 4 veranschaulicht ein die Ausdehnung des Kolbens erläuterndes Diagramm.
Die Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 1, Fig. 6 nach der Linie 6-6 der Fig. 5, Fig. 7 zeigt einen Schnitt ähnlich wie Fig. 6, jedoch eine weitere Ausführungsform darstellend. Fig. 8 ist ein Schnitt nach Linie 8-8 der Fig. 7.
Der Kolben besitzt einen Boden 10 und einen Mantel 11, die beide aus einem geeigneten Werkstoff mit geringem Gewicht, beispielsweise aus einer Aluminiumlegiernng, hergestellt sind. Die Lager 12 für den Kolbenbolzen sind im Mantel gebildet, und die Verbindung zwischen dem Boden und den Bolzenlagern ist durch Rippen 13 verstärkt.
Die in der Nähe des Durchmessers B (Fig. 4) rechtwinklig zur Achse der Bolzenangen liegenden Teile-M des Mantels nehmen den Hauptdruck der Zylinderwandung auf, welcher Druck sich aus der Winkellage der Schubstange ergibt ; diese Teile werden gewöhnlich als Druekflächen bezeichnet. Da
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diese Drucksachen die Belastung aufnehmen, ist der Durchmesser B der wichtige Durchmesser, der bei allen Temperaturen genau in die Zylinderbohrung passen muss.
Dem Mantel wird durch irgendeines der üblichen Verfahren, beispielsweise durch Schleifen, eine ovale äussere Form erteilt, wobei das Oval derart angeordnet wird, dass seine kleinere Achse A mit der
Achse der Bolzenaugen zusammenfällt und seine grössere Achse B rechtwinklig zur Achse der Bolzen- augen liegt, wie es in Fig. 4 durch die voll ausgezogene Linie dargestellt ist. Das Oval besitzt zweck- mässig über die ganze Länge des Mantels das gleiche Ausmass, d. h. der Mantel läuft nicht von oben nach unten schräg zu.
Die beiden thermostatischen Elemente sind quer zur Achse A-angeordnet und derart ausgebildet, dass sie sich bei Temperaturerhöhung nach aussen biegen, die Bolzennaben nach aussen führen und den
Mantel zu der in Fig. 4 mittels der strichpunktierten Linie dargestellten zylindrischen Form biegen.
Der Boden 10 ist gewöhnlich der heisseste Teil des Kolbens und dehnt sich mehr als der Mantel aus. Eine Berührung des Bodens mit der Zylinderbohrung wird dadurch verhindert, dass man dem Boden ein genügendes Spiel gibt ; die Druckflächen 14 sind durch Schlitze 15 von dem Boden isoliert.
Zur Bildung der bimetallischen thermostatischen Elemente dienen zwei Einsatzstücke 16 aus sich nach einer Sehne erstreckenden Platten, deren Enden in den Druckflächen 14 verankert sind. Die Mantelwandung ist teilweise um jede Bolzennabe ausgeschnitten und es erstrecken sich Rippen 20 des Mantelmaterials längs der Aussenseite eines jeden Einsatzstückes. In diesem Falle bilden die Einsatz- stücke 16 die inneren, die Rippen 20 die äusseren Glieder der bimetallischen thermostatischen Elemente ; diese Elemente verursachen, wie vorhin ausgeführt, bei Ansteigen der Temperatur eine Formänderung des Mantels aus seiner im kalten Zustande vorhandenen ovalen Form in eine zylindrische Form.
Zum Zwecke der Verstärkung kann eine lotrechte Rippe 21 jede Bolzennabe mit dem unteren Mantelring 22 verbinden, jedoch stört diese Rippe nicht die thermostatisch Formänderung des Mantels.
Die Rippen 20 und 21 vollführen eine zusätzliche Funktion, indem sie Hitze vom Boden zum Mantel führen, von wo sie auf die Zylinderwandung übertragen werden kann.
Man kann auch gegebenenfalls ein Paar bogenförmiger Flansche 23 benutzen, um den unteren Teil 22 des Mantels zu verstärken (Fig. 5 und 6).
Bei der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der mittlere Teil eines jeden Einsatzstückes 16 in das Bolzenlager eingegossen. Die Einsatzstücke haben jedoch bei derartig ausgeführten Kolben keine Druckbelastung zu tragen, und die Einsatzstücke können völlig frei von den Bolzenaugen sein, wie es in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist. Bei dieser Ausführung erstreckt sich das Einsatzstück nur längs der inneren Nabenseite, seine Enden sind jedoch im Mantel verankert, um die thermostatisch Wirkung zu gestatten. Ob das Einsatzstück in die Naben eingegossen wird, hängt in jedem besonderen Falle von der Länge der Naben und der für das Einsatzstück bestimmten Lage unter Berücksichtigung der Konstruktion der Schubstange usw. ab.
Gemäss den Fig. 7 und S'können auch gegebenenfalls Lappen 24 einwärts ragen und durch Bohrungen 25 Verbindungen bilden, um die Einsatzstücke dicht gegen die Rippen 20 zu halten. Diese Lappen verringern auch den Betrag der thermostatischen Formänderung, da sie die wirksame Länge des wirklichen bimetallischen thermostatischen Elementes verkürzen.
Es wurde erwähnt, dass der Durchmesser B der wichtige zu berücksichtigende Durchmesser ist ; die vereinfachte schematische Skizze der Fig. 4 zeigt, dass dieser Durchmesser konstant bleibt, während der Kolben sich aufrundet. In der Praxis ist es wünschenswert, dem Durchmesser B des Kolbens im wesentlichen das gleiche Ausdehnungsmass zu geben, wie es die Zylinderbohrung besitzt, so dass das Spiel zwischen den Enden des Durchmessers B und der Zylinderwandung für alle Temperaturen im wesentlichen gleich bleibt. Dieses Ergebnis kann beim erfindungsgemässen Kolben durch eine richtige Wahl der ovalen Form des kalten Kolbens der Baustoffe und der Abmessungen der Glieder der bimetal- lischen thermostatischen Elemente erreicht werden.
Gemäss der Erfindung ist es möglich, für die Ein- satzstücke 16 gewöhnlichen Stahl zu verwenden und am Durchmesser Bein Ausdehnungsmass zu erhalten, das sogar noch geringer als das von Gusseisen ist.
Da der Durchmesser A sich stärker ausdehnt als der Zylinder, soll der Kolben derart bearbeitet oder geschliffen werden, dass dieser Durchmesser selbst bei abnormal hohen Temperaturen niemals mehr als eine leichte Berührung mit der Zylinderwandung besitzt. Daher soll der Kolben bei normalen Betriebstemperaturen nur eine ungefähre zylindrische Form erreichen, obgleich die Form bei diesen Temperaturen der zylindrischen Form so nahe kommen soll, als es der Sicherheitsfaktor gestattet.
Nach Anlassen einer mit diesem Kolben ausgestatteten kalten Maschine wird kein Klopfen auftreten, da an den Enden des Durchmessers B nur ein ldeines Spiel vorhanden ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Mantelausdehnung praktisch an allen Durchmessern unabhängig von der Bodenausdehnung gemacht worden ist. Früher war es üblich, die oberen Enden der Druckflächen durch Schlitze vom Boden zu trennen, um zu verhindern, dass der Boden die oberen Enden der Druckflächen nach aussen drückt. Der Boden hatte jedoch das Bestreben, die oberen Enden der Bolzennaben nach aussen zu drängen, und diese Bewegung der Naben verursachte eine schädliche Verwindung und Verbiegung des Mantels. Beim Kolben gemäss der Erfindung werden
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die Bulrenaugen durch die Bewegung der thermostatiscieu Elemente unabl ängig vom Boden nach aussen geführt.
Bei normalem Betrieb der Maschine ist nicht nur der Boden heisser als der Mantel, sondern auch die mit ihm verbundenen Naben, so dass sieh Boden und Naben in bezug auf ihr Ausdehnungsmass das Gleichgewicht halten. Daher bewegen sich Boden und Naben zusammen nach aussen und verhindern eine Verwindung der Naben. Diese Wirkung gestattet ein gleichmässiges und gleichförmiges Tragen der Druckflächen an der Zylinderwandung.
Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Mantel in seiner Wärmeausdehnung unabhängig von Boden und Naben ist. Dies kommt daher, dass die thermostatischen Elemente ihre Formänderungsarbeit durchführen, wenn sie einer Temperaturerhöhung unterworfen werden ; hiebei ist es gleichgültig, von welcher Quelle die Hitze kommt, ob die Hitze ihre Ursache in einer unzulässigen hohen Bodentemperatur, einer hohen Oltemperatur oder einer übermässigen Mantelreibung hat. Es kann beispielsweise durch unrichtiges Einpassen ein zu strammes Anliegen des Kolbenmantels an der Zylinderwandung verursacht werden. Diese übermässige Reibung kann den Mantel auf eine Temperatur erwärmen, die höher ist als die normale Temperatur des Bodens.
Gewöhnlich erhöht sich eine solche Reibungswärme von selbst immer mehr, da die erhöhte Temperatur eine vergrösserte Ausdehnung hervorruft, die ihrerseits wieder eine Temperaturerhöhung veranlasst und so weiter, bis es zum Bruch kommt.
Beim Kolben gemäss der Erfindung veranlasst jedoch eine infolge Mantelreibung erhöhte Temperatur nur die thermostatischen Elemente, den Mantel weiter zur zylindrischen Form zu biegen und dadurch den übermässigen Druck an der Druckfläche zu verringern ; da nun die erzeugte Wärme den Zylinder ungefähr im selben Masse wie den Mantel ausdehnt, wird sich der Mantel allmählich ohne Beschädigung einschleifen.
Bei den zweckmässigen Ausführungsformen wird kein lotrechter Mantelschlitz benutzt, denn der ungeschlitzte Mantel besitzt einen grösseren Widerstand gegen eine Formänderung unter Seitendruck und gegen ein Sehwingen in der Zylinderbohrung. Die vergrösserte Stabilität des Kolbens ergibt eine bessere Wirtschaftlichkeit im Ölverbrauch bei hohen Maschinengesehwindigkeiten und gestattet den Ringen, richtig zu arbeiten, ohne sich übermässig abzunutzen.
PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Kolben, der einen aus Leichtmetall bestehenden Boden und einen mit Bolzenaugen und Druckflächeu versehenen, im kalten Zustande ovalen Mantel besitzt, wobei die kurze Achse des Ovals mit der Achse der Bolzenaugen zusammenfällt und Mittel zur Steuerung der Mantelausdehnung vorgesehen sind, die bei Temperaturerhöhung den Mantel zu einer zylindrischen Form biegen und aus einem Paar bimetallischer Elemente bestehen, die sich zwischen den Druckflächen erstrecken, wobei jedes Element äussere und innere Teile umfasst, von denen der innere Teil aus einem Werkstoff von geringerer Wärmedehnung als der äussere Teil besteht, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der inneren Teile der bimetallischen Elemente aus einem zwischen den Druckflächen sehnenartig sich erstreckenden Einsatzstück 6 besteht, dessen obere und untere Kanten oberhalb bzw.
unterhalb des Bolzenauges liegen.