Leichtmetallkolben an Brennkraftmaschinen. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben mit Kolbenbolzen für B'renn- kraftmaschinen.
Der Zweck der Erfindung ist ein aus Leichtmetall, zum Beispiel einer Aluminium legierung, bestehender Kolben mit vermin derter Ausdehnung der Tragflächen des Kolbens. .
Leichtmetalle, wie Aluminiumlegierun gen, haben für Kolben manche Vorteile. Ihr Hauptnachteil liegt darin, dass sie eine höhere Wärmedehnung haben als das Guss eisen, aus welchem die Zylinder gewöhnlich hergestellt sind. Wenn die Kolben wie ge wöhnliche Gusseisenkolben gebaut und mit genügend Spiel zur Verminderung des An- fressens bei heissem.lotor versehen sind, ver ursachen sie bei kaltem :Motor ein schäd liches Klopfen des Kolbens, so dass der Ho tor für den Gebrauch bei einem Automobil ungeeignet ist.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Kol ben mit Bimetallstreifen, die aus zwei Me tallen von verschiedener Wärmedehnung be stehen, zu bauen, bei denen der Mantel einen ovalen Querschnitt mit in der Richtung der Kolbenbolzenaxe kürzerem Durchmesser hat, und bei denen der Mantel mit mindestens einem an einem oder zwei Orten gespaltenen Ring versehen ist, welcher Ring aus einem Metall besteht, dessen Ausdehnungskoeffi zient von jenem des Materials des Mantels verschieden ist.
Bei einem Leichtmetallkolben in Zylin dern von Brennkraftmaschinen mit einem Kopf, mit einem Mantel, der Augen für einen Kolbenbolzen und zwischen ihnen Tragschuhe an einem Ring besitzt, welcher Ring mit den Tragschuhen in kaltem Zu stande oval und in der Richtung der Kol- benbolzenage im Durchmesser etwas kleiner als in der dazu senkrechten Richtung ist, und mit auf beiden Seiten der Tragschuhe zwi- sehen diesen nebeneinander angeordneten Verbindungen, von denen jeweils die äussere aus Metall grösserer Wärmedehnung als die innere besteht und mit dieser wie ein Bi metallstreifen ivirlit,
so dass infolge der Tem peraturerhöhung im Betriebe der Mantel ring nahezu zylindrisch gebogen wird, haben gemäss der Erfindung die innern Verbindun gen die Form von dünnen Platten, sind in der Zone des Kolbenzapfens in Richtung einer Mantelringsehne zwischen den Trag schuhen angeordnet und stehen mit bei den Rändern über die Kolbenbolzenaugen vor.
Die Zeichnung veranschaulicht Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 ist ein Aufriss eines Kolbens nach der Erfindung; Fig. 2 und 3 sind Schnitte nach den Linien 2-3 und 3-3 in Fig. 1; Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Kolbenausdehnung erläutert; Fig. ' 5 und- 6 sind Schnitte nach den Li nien 5-5 in Fig. 1 und 6-6 in Fig. 5;
Fig. 7 ist ein der Fig. 6 ähnlicher Schnitt eines zweiten Kolbens und Fig. 8 ist ein Schnitt nacli der Linie 8-8 der Fig. 7.
Der Kolben nach Fig. 1 bis 6 besitzt einen Boden 10 und einen Mantel 11, die beide miteinander aus Leichtmetall, beispiels weise aus einer Aluminiumle,("ierung, ge gossen sind. Der Mantel 11 besitzt Augen 12 für den Kolbenbolzen, deren Verbindung mit dem Boden 10 durch Rippen 13 verstärkt ist. Zu beiden Seiten der Verbindungen zwischen dem. Boden 10 und den Augen 12 ist der Mantel vom Boden 10 durch Schlitze 15 ge trennt.
Die symmetrisch zum rechtwinklig zur Age der Kolbenbolzennaben liegenden Durch messer B (Fig. 4) an einem äussern Ring 22 des Mantels angeordneten Tragschuhe 11 übertragen den von der Schrägstellung der Pleuelstange herrührenden Normaldruck auf die Zylinderwandung. Deshalb ist es zweck mässig, wenn der Durchmesser B bei allen im Betriebe auftretenden Temperaturen genau in die Zylinderbohrung passt.
Dem Mantel des Kolbens wird beispiels weise durch Schleifen, aussen eine ovale Form erteilt, so class die kleine Ase .1 des Ovals mit der Axe des Kolbenbolzens zu sammenfällt, und die grosse Axe ss recht winklig zur Bolzenaxe liegt, wie es in Fig.4 durch die voll ausgezogene Linie dargestellt ist. Das Oval besitzt zweckmässig über die ganze Länge des Mantels das gleiche Aus mass, der Mantel nimmt also nicht von oben nach unten zu.
Der Boden 10 wird im Betriebe von allen Teilen des Kolbens am heissesten und dehnt sich daher mehr als der Mantel aus. Er er hält daher zweckmässig mehr Spiel als der Mantel, um eine Berührung des Bodens in der Zylinderbohrung zu vermeiden.
Die schematische Fig. .1 zeigt, dass der Durchmesser B bei einer Temperaturände rung konstant bleibt, und dass der Kolben sich beim Erwärmen rundet. Es ist aber wünschenswert, dass der Durchmesser B des Kolbens ungefähr die gleiche Wärmeausdeh nung wie die Zylinderbohrung besitzt, so dass das Spiel zwischen den Enden des Durchmessers B und der Zylinderwandung bei allen Temperaturen konstant bleibt.
Dies kann durch entsprechende Wahl der ovalen Form des kalten Kolbens, dar Materialien und der Dimensionen der Bimetallstreifen erreicht werden, welch letztere durch auf bei den Seiten der Tragschuhe 1.1 zwischen die sen nebeneinander angeordnete Verbindun gen gebildet werden, von denen jeweils die äussere aus Metall grösserer Wärmedehnung als die innere besteht.
Die oben erwähnten innern Verbindungen werden von Einsätzen 16 gebildet, welche die Form von ebenen Platten haben, in der Zone des Kolbenzapfens in der Richtung einer Mantelringsehne zwischen den Trag schuhen angeordnet sind und mit den bei den Rändern über die Kolbenbolzenaugen vorstehen. Die Mantelwandung ist um jedes Bolzenauge bis auf Stege 20 weggeschnitten, welch letztere mit den Einsätzen 16 die Bi- meta.llstreifen bilden. Jedes Bolzenauge ist mit dem äussern Mantelring 22 durch einen Steg 21 verbunden; dieser stört aber das Bie gen des Mantels bei dessen Erwärmung nicht.
Die Stege 20 und 21 führen die Hitze vom Boden zu den Tragschuhen und zum Iring 22 von wo sie auf die Zylinder ivandung übertragen wird. Mit Einsätzen 16 aus gewöhnlichem Stahl kann die Wärme ausdehnung des Durchmessers B sogar noch geringer als die des aus Gusseisen bestehen den Zylinders gehalten werden.
Da der Durchmesser A sich schneller als der Zylinder ausdehnt, ist der Kolben derart bearbeitet oder geschliffen, dass dieser Durchmesser selbst bei abnormal hohen Temperaturen die Zylinderwand höchstens leicht berührt. Daher wird der .Kolbenman- tel bei normalen Betriebstemperaturen nicht ganz zylindrisch. Doch ist die Abweichung zwecl@mässig so gering, als es der Sicher heitsfaktor gestattet.
Nach Anlassen eines mit diesem Kolben .jusgestatteten kalten Motors wird kein Klop fen auftreten, da sich an den Enden des Durchmessers B nur ein kleines iSpiel be findet.
Der äussere Ring 22 ist ausserhalb der Kolbenbolzenaugen 12 durch normal zur Kolbenaxe angeordnete Rippen 23 verstärkt.
Nach den - Fig. 7 und 8 erstreckt sich ,jeder Einsatz 16 längs der innern Stirnseite des Kolbenbolzenauges und ist mit beiden Enden im Mantel eingegossen.
Lappen 24 überdecken innen die Enden der Einsätze 16 und sind durch Brücken 25 mit dem Metall ausserhalb der Einsätze ver bunden. Sie halten die Einsätze dicht an den Stegen 20. Diese Lappen verringern auch die Biegewirkung der Einsätze, indem sie die wirksame Länge des Bimetallstreifens ver kürzen.
Bei den beiden gezeichneten Kolben ist die Mantelausdehnung in allen Durchmesser richtungen praktisch unabhängig von der Bodenausdehnung.
Bei bekannten Leichtmetallkolben ist der Kolbenboden mit dem Kolbenmantel in den axialen Zonen der Bolzenaugen zusammen gegossen, so dass diese Teile des Kolbenman tels sich mit dem Kolbenboden ausdehnen und eine schädliche Verwindung und Ver drehung des Mantels bewirken. Bei den dar gestellten Kolben werden beim Erwärmen die Bolzenaugen durch die Einsätze unab hängig vom Boden nach aussen geführt.
Im normalen Betrieb der Maschine ist der Boden heisser als der Mantel, der höheren Temperatur des Bodens hält aber praktisch die durch die Einsätze bewirkte raschere Auswärtsbewegung der Bolzenaugen das Gleichgewicht, so dass sich Boden und Bol- zenaugen miteinander nach aussen bewegen und keine Verwindung der Bolzenaugen stattfindet. Dies bewirkt ein gleichmässiges und gleichförmiges Anliegen des Kolben mantels an der Zylinderwandung.
Ein weiterer bedeutsamer Vorteil der dargestellten Kolben besteht darin, dass die Wärmedehnung des Mantels korrigierend gegen überschüssige Erwärmung wirkt, weil die Einsätze bei jeder Temperaturerhöhung arbeiten, ob die Hitze ihre Ursache in einer unzulässigen hohen Bodentemperatur, einer hohen Öltemperatur oder einer übermässigen Mantelreibung hat.
Wenn ein gewöhnlicher Kolbenmantel in folge unrichtigen Einpassens gegen die Zy linderwandung drückt, so kann die hierdurch bewirkte übermässige Reibung den Mantel auf eine Temperatur erwärmen, die höher ist als die normale Temperatur des Bodens. Gewöhnlich erhöht sich die Reibungswärme in diesem Falle immer mehr, da die grössere Temperatur eine vergrösserte Ausdehnung hervorruft, die ihrerseits wieder eine Tem peraturerhöhung veranlasst und so weiter, bis der Kolben sich festfrisst. Beim dargestellten Kolben veranlasst jedoch eine infolge Mantel reibung übermässige Hitze die Einsätze den Mantel weiter in die zylindrische Form zu biegen und entlastet ihn dadurch vom über mässigen Druck,
und da die erzeugte Hitze den Zylinder ungefähr im selben Masse wie den Mantel ausdehnt, wird sich der Mantel allmählich einschleifen. Zweckmässig ist im Mantel kein axialer Schnitt angebracht, denn der ungeschlitzte Mantel besitzt einen grösseren Widerstand gegen Biegung durch den Normaldruck und gegen ein Schwingen in der Bohrung. Die vergrösserte Stabilität des Kolbens ergibt eine bessere Wirtschaftlichkeit im Öl verbrauch bei hohen Maschinengeschwindig- keiten und gestattet den Kolbenringen rich tig zu arbeiten, ohne sich übermässig abzu nutzen.
Zweckmässig wird der Kolben mit dem ungesehlitzten Kolbenmantel mit einem sehr genauen Passsitz am Durchmesser B in die Zylinderbohrung eingepasst. Bei einem Ver suche wurden Kolben in Automobilzylinder einer bekannten Marke mit weniger als 0,038 mm Spiel eingepasst, und der Wagen wurde ohne das übliche Einfahren am zwei ten Tag mit mehr als 128 km/Std. laufen gelassen, ein Beweis dafür, dass die mit dem Versuch betrauten Ingenieure volles Ver trauen in die Kolben hatten, über irgend welche Schwierigkeiten infolge der Kolben ausdehnung wegzukommen. Am dritten Tag wurden Spitzengeschwindigkeitsversuche mit mehr als 144 km/Std. erfolgreich durch geführt.