DE7335155U

DE7335155U - Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Großdieselmotoren

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Publication number: DE7335155U
Application number: DE7335155U
Authority: DE
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Publication date: 1974-12-12

Description

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg Aktiengesellschaft 8900 Augsburg, Stadtbachstraße 1

Gm.B. 1178 Augsburg, den 27. September 1973

Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere Großdieselmotoren

Die Neuerung betrifft einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschinen* insbesondere Großdieselmotoren, mix einem Kolbenober= teil, der einen Kolbenboden sowie einen daran anschließenden, die Nuten für die Kolbenringe aufneumenden Kolbenmantelteil umfaßt, und einem mit diesem verbundenen Kolbenunterteil, der einen mittleren, eine Kolbenbolzenlagerung umfassenden Tragticl und außerdem Gleitschuhe aufweist.

Die Aufgabe uer Neuerung ist es, einen Kolben dieser Gattung zu schaffen, der durch thermische und mechanische Einwirkung hervor gerufene Belastungen zur Erzielung einer langen Lebensdauer optimal aufnimmt und außerdem leicht ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß sich der Kolbenoberteil mit ringförmig umlaufenden Ansätzen auf dem sich¹·-·*! höhlkegelförmig erweiternden oberen Abschnitt des Tragteils unter Aussparung von Kühlräumen direkt abstützt und daß der untere Ab-

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schnitt des Tragteils eine Lagerung für den Kolbenbolzen bildet, wobei die Lagerung eine den Kolbenbolzen auf der der Anschlußstelle der Treibstange gegenüberliegenden Seite durchlaufend abstützende Lagerschalenfläche aufweist, und daß im Kolbenbolzen Bohrungen unter einem Winkel von etwa 30° bis 60° zur Kolbenlängsachse A-A in einer Kolbenbolzenquerschnittsebene gesehen vorhanden sind, an die sich in Taschen in der Lagerung mündende, zu den Kühlräumen führende Kühlmittelbohrungen im Tragteil und Zuführbohrungen in der Treibstange anschließen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Kolbens ist darin zu sehen, daß die Zündkräfte optimal aufgenommen und weitergeleitet werden. Ferner ergibt sieb durch die Anordnung der Bohrungen für das Kühl- bzw. Schmiermittel im Kolbenbolzen und in dem Tragteil der weitere Vorteil, daß diese außerhalb des Bereichs der größten Lagerbelastung liegen und somit keine unterbrochene Kraftverteilung auftritt.

Vorzugsweise sind in dem Kolbenbolzen außerhalb der der durchlaufenden Lagerschalanfläche gegenüberliegenden Wandungen Verteilnuten für das gleichzeitig als Kühlmittel dienende Schmieröl vorgesehen.

Vorteilhaft schließen die Längsachsen des Kolbens und der zu einem in der Randzone des Kolbenoberteils gelegenen äußeren,- ringförmigen Kühlraum verlaufende Kühlmittelbohrungen einen Winkel von 0 bis ein. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß das Kühlmittel auf dem kürzesten Weg in den thermisch hoch belasteten Bereich und somit in die Kühlräume der Randzone des Kolbenoberteils gebracht wird.

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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung steht der äußere ringförmige Kühlraum über Kühlmittelbohrungen mit einem zentralen Kühlmittelsammeiraum in Verbindung und außerdem weist der Kühlmittelsammelraum Ablaufbohrungen auf. Hierdurch kann das Kühlmittel gleichmäßig im gesamten Kolbenoberteil verteilt werden und durch das Abfließen des "Is Kühlmittel dienenden Schmieröls zurück in den Triebwerks raum wird ein rascher Wärmeaustausch erreicht.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die Gleitflächen an Gleitschuhen vorgesehen, die als beweglicher Gleitschuhkasten ausgebildet sind, der im Bereich der Lagerung für den Kolbenbolzen Bohrungen aufweist, in die der Kolbenbolzen mit seinen äußeren Enden eingreift. Bei Anwendung dieser Maßnahmen ergibt sich bei auftretenden Beschädigungen der Gleitflächen, wie eventuell Kolbenfressern,ein leichter und kostensparender Ausbau. Außerdem kann diese Form von Gleitschuhen sich besser an die Zylinderbuchse anpassen, indem sie sich ihre optimalste Lauflage suchen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, die Gleitflächen der Gleitschuhe mit einem Werkstoff mit guten Lau fei genschaften zu beschichten.

Weiter ist als vorteilhaft anzusehen, daß der Kolbenbolzen direkt in dem Werkstoff des Tragteils gelagert ist. Da der für den Kolbenunterteil vorgesehene Werkstoff Aluminium ist und dieser sehr gute Laufeigenschaften aufzuweisen hat, bietet sich hierdurch die Möglichkeit, die bisher vorgesehenen Lagerschalen fortzulassen und den Kolbenbolzen direkt in dem Tragteil zu lagern.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung in Verbindung mit zusätzlichen Unteransprüchen. Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen neueryngsgemäßen Kolben in zwei um 90° gegeneinander versetzten Ebenen,

Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens, zur Hälfte in einem Längsschnitt, zur Hälfte in einer teilweise aufgebrochenen Ansicht,

Figur 3 einen Schnitt nach Linie ΙΠ-ΙΠ der Figur 2,

Figur 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles "Z" in Fig. 2.

Der in Figur 1 gezeigte Kolben umfaßt ein Kolbenoberteil 1 und ein Kolbenunterteil 2. Der Kolbenoberteil 1 ist aus Stahl oder Stahlguß hergestellt und weist einen Kolbenboden 3 und einen daran anschließenden oberen KoIbenmantelteil 4 auf. Im Kolbenmantelteil 4 sind mehrere Nuten 5 zur Aufnahme der Kolbenringe vorgesehen. An der Unterseite des Kolbenbodens 3 sind um die'mit A-A bezeichnete Kolbenlängsachse ringförmig umlaufende Ansätze 6 angeformt, die in einer waagerechten Ebene liegende Anlageflächen 7 aufweisen.

Der Kolbenunterteil 2, dei aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, umfaß einen Tragteil 8, dessen unterer Abschnitt

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die Lagerung 10 eines Kolbenbolzens 11 bildet. An dem unteren Abschnitt 9 des Tragteils 8 ist ein ringförmiger, die Kolbenlängsachse A»A umgebender, sich nach oben hohlkegelförmig erweiternder oberer Abschnitt 12 des Tragteils 8 angeformt. Auf diesem hohlkegelförmig erweiterten oberen Abschnitt 12 des Tragteils 8 stützt sich der Kolbenoberteil 1 mit den ringförmig umlaufenden Ansätzen 6 über die Anlagefläche 7 ab- Geführt und zentriert wird der Kolbenoberteil 1 im Bereich des oberen Kolbenmantelteils 4 über äußere ringförmige Ansätze 13 an dem Rand des oberen Abschnitts des Tragteils 8. Über die Ansätze 13 sti>tzt sich der Kolbenoberteil 1, der als Gegenstück Vorsprünge 14 aufweist, ebenfalls ab. An dem Tragteil 8 sind Gleitschuhe 15 angeformt. Die Gleitflächen 16 der Gleitschuhe 15, die mit einem Werkstoff mit guten Laufeigens chaften beschicixtet werden können, sind von dem als Dichtfläche ausgebildeten oberen Kolbenmantelteil 4 unterbrochen. Die Gleitschuhe können auch lösbar mit als Dehnschraviben ausgebildeten Schrauben mit dem Tragteil 8 verbunden werden.

Wie Figur 1 erkennen läßt, weist die Lagerung 10 für den Kolbenbolzen 11 eine auf der der Anschlußstelle einer Treibstange 17 gegenüberliegenden Seite durchlaufende abstützende Lagerschalenfläche 18 auf. Die Treibstange 17 ist mit dem Kolbenbolzen 11 mittels zweier als Dehnschrauben ausgebildeter Schrauben 19 verbunden. Dabei erstrecken eich die Schrauben 19 durch Aussparungen 20 sowie Bohrungen 21 in der Treibstange 17 und greifen jeweils in Gewinde in dem Kolbenbolzen 11 an. Die Köpfe der Schrauben 19 stützen sich über Führungsbüchsen 55, die in den Aussparungen 20 der Treibstange angeordnet sind, ab. Der Kolbenbolzen 11, der an seinen Enden 23 zur

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Gewichts er sparnis jeweils schräg nach innen verlaufende Ausnehmungen 24 aufweist, ist direkt in dem Werkstoff des Tragteils 8 gelagert.

Zur Kühlung des Kolbens, die beim Ausführungsbeispiel mittels öl erfolgt, sind durch Zusammenfügen des Kolbenoberteils 1 und des Kolbenunterteils 2 ein in der Randzone 25 des Kolb~noberteils 1 gelegener äußerer rixxgförmiger Kühlraum 26 und ein zentraler Kühlmittelsammelraum 27 vorgesehen. Der äußere ringförmige Kühlraum 26 setzt sich durch Aussparungen 28, 29 in dem Kolbenoberteil 1 und dem Tragteil 8 zusammen. Die Aussparungen 29 sind als halbschalenförmige Taschen, wie aus Figur 4 zu ersehen ist, ausgebildet. Der zentrale Kühlmittelsammelraum 27 wird durch die Aussparungen 30, in dem Kolbenoberteil 1 und dem Tragteil 8 gebildet. Von dem äußeren ringförmigen Kühlraum 26 verlaufen Kühlmittelbohrungen 32 zur Lagerung 10. Die Austrittsöffnungen dieser Kühlmittelbobrungen 32 im Kolbenoberteil 1 sind zwischen den halbschalenförmig ausgebildeten Aussparungen 29 vorgesehen. Ferner weisen diese Kühlmittelbohrungen 32 Längsachsen B-B auf, die mit der Längsachse A-A des Kolbens einen Winkel von 25° bilden und durchsetzen so das Tragteil 8. Alternativ sind auch kleinere Winkel bis zu 0° möglich. Diese Kühlmittelbohruagen 32 münden in den in der Lagerung 10 sich befindenden Taschen 33. In diese Taschen 33 münden auch die in dem Kolbenbolzen vorgesehenen Bohrungen 34, die unter einem Winkel von etwa 30 bis 60° zur Kolbenlängsachse A-A in einer Kolbenquerschnitts ebene 35 gesehen aus dem Kolbenbolzen 11 austreten und mit einer Bohrung 36, in Verbindung stehen. Diese Bohrung 36, die im Bereich der Mündung der Bohrung 34 im Durchmesser stärker ausgeführt ist, um sich dann

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zu verjüngen, steht wiederum mit einer Zuführbohrung 37, die in der Treibstange vorgesehen ist, in Verbindung. Die Bohrung 36 verläuft von der Zuführbohrung 37 diagonal durch die Kolbenbolzenquerschnittsebene 35 und mündet etwa in der Bolzenmitte in die Bohrung 34. In dem Kolbenbolzen 11 sind Verteilnuten 39, 40 für das als Kühlmittel dienende Schmieröl vorgesehen. Die Verteilnuten 39, 40 liegen außerhalb der der durchlaufenden Lagerschalenfläche 18 gegenüberliegenden Wandungen.

Der äußere ringförmige Kühlraum 26 verbindet den zentralen Kühlmittelsammelraum 27 mit einer Kühlmittelbohrung 41. Eine weitere, als Ablaufbohrung ausgebildete und mit 42 bezeichnete Bohrung steht mit den außerhalb des Kolbens liegenden Räumen in Verbindung.

Bei einem derartigen, aus mehreren Teilen gebauten Kolben besteht eine weitgehende Freizügigkeit in der Auswahl der anzuwendenden Werkstoffe, die insbesondere unter dem Gesichtspunkt des günstigen Gewichts und einer großen Festigkeit getroffen werden kann. Durch die Konstruktion des Kolbenbolzens 11, verbunden mit der Treibstange .17, werden die Zündkräfte ohne wesentliche Umlenkung vom Brennraum über das Kolbenunterteil 2 dem Kolbenbolzen 11 in die Treibstange eingeleitet. Dadurch wird der Kolbenbolzen 11 nicht auf Biegung beansprucht. Hierdurch ergibt sich wiederum eine gleichmäßige Verteilung der hydrostatischen Lagerdrücke und somit eine günstige Lagerbelastung. Da der Kolben in einen Dichtungsteil und einen Führungsteil getrennt ist und als Führungsteil Gleitschuhe aufweist, zeichnet sich der Kolben auch durch ein verhältnismäßig geringes Gewicht aus. Ferner ist die Aufheizung der Gleitschuhe 15 vom Brennraum

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durch eben diese Trennung sehr gering* Es treten somit keine großen Temperaturunterschiede in den Gleitflächen 16 auf. Weiterhin können Zylinderbuchsen«Verformungen sowie unterschiedliche Abnutzungen der Zylinderbuchse und unterschiedliche Wärmeausdehnungen durch die nachgiebige Konstruktion der Gleitschuhe ausgeglichen werden. Außerdem ist es möglich, das Spiel der Gleitschuhe in der Zylinderbuchse gering zu halten. Durch dieses geringe Spiel der Gleitschuhe 15 wird die Kavitationsneigung auf der Wasserseite der Zylinderbuchse verringert.

Ein maßgebender Punkt, der die Lebensdauer eines Kolbens verlängert ist eine ausreichende Kühlung und Schmierung. Hierzu wird das öl mittels einer nicht näher dargestellten ölpumpe von de? Kurbelwanne durch die nicht näher dargestellte Hohlkurbelwelle, die Zuführbohrungen 37 in der Treibstange 17, den Kolbenbolzen 11 und die dort vorgesehenen Bohrungen 34, 36 und die Verteilnuten 39, 40 zu den in. der Lagerung 10 sich befindenden Taschen 33, 38 befördert. Durch die Kühlmittelbohrungen 32 gelangt das öl in den äußeren llngförmigen Kühlraum 26 und schließlich in den Kühlmittelsammelraum 27« Eine Ablaufbohrung 42 sorgt dann dafür, daß das Kühl- bzw. Schmieröl wieder in den Triebwerks raum zurückfließt. Durch das Zurückströmen des Kühlöls wird ein rascher Wärmeaustausch erreicht. Die Schmierung der Gleitflächen 16 erfolgt durch das von der Kurbelwelle hochgeschleuderte Spritzöl. Die Schmierung des Kolbenbolzens 11 erfolgt über die Verteilnuten 39, 40 und die Taschen 33 und 38.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kolbens als Alternativlösung zu dem in Figur 1 beschriebenen Kolben dargestellt« Hier

ist der Kolben im Grundaufbau und in der Funktion ebenso, wie in Figur 1 beschrieben, aufgebaut. Lediglich sind die Gleitflächen, die hier mit 44 bezeichnet sind, an einem als Kasten ausgebildeten Gleitschuh vorgesehen, der mit 45 bezeichnet ist. Dieser Gleitschuhkasten 45 kann aus einen", anderen Werkstoff wie der Tragteil 8 hergestellt werden. Der Gleitschuhkasten 45 weist innen im Bereich der Gleitflächen 44 Verstärkungsrippen 46 auf. Diese Verstärkungsrippen 46 sind zweckmäßig, da der Gleitschuhkasten 45 bei möglichst leichter Ausführung an den Gleitflächen 44 infolge der auftretenden Kräfte zu nachgiebig ist. Dieses Problem läßt sich auch ohne weiteres durch verstärkte Ausführung der Gleitfläche 44 beheben. Der Gleitschuhkasten 45 ist beweglich an dem Tragteil 8 angeschlossen. Hierzu sind in dem Gleitschuhkasten 45 im Bereich des Kolbenbolzens, der hier mit 56 bezeichnet ist, Bohrung α 47, in die der Kolbenbolzen 56 mit seinen äußeren Enden 23 eingreift, vorgesehen.

Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, hat das Tragteil 8 etwa die Querschnittsförm eines Malteserkreuzes. In den durch diese Ausführungsform entstehenden Ausnehmungen 48 sind Schrauben 49 vorgesehen, die den Tragteil 8 und den Kolbenoberteil 1, wie aus Figur 2 ersichtlich, verbinden. Diese Schraubenanordnung und Verbindung mit dem Kolbenoberteil 1 ist ebenfalls in beiden Ausführungsvarianten die gleiche.

Diese Schrauben 49, die, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, als Stiftschrauben ausgebildet sind, durchsetzen in dem Tragteil 8 Bohrungen 50 und greifen in^Gewinde 51 in dem Kolbenoberteil 1 ein. Zum Ver-

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spannen dieser beiden Teile dient eine als Kronenmutter ausge«* bildete Mutter Ö2_f die mittel» einer Splintsichferung S3 gesichert ist.

Ferner ist, wie aus Figur 2 zu ersehen ist, zur Fixierung des Kolbenbolzens 11 mit der Treibstange 17 eine Hülse 54 vorgesehen.

Gegenüber dem festen Gleitschuh 15, wie er in der Figur 1 beschrieben ist, sind an diesem beweglichen Gleitschuhkasten 45 noch einige markante Vorteile festzustellen. Da dieser Gleitschuhkasten 45 beweglich ist, kann er sich seine optimalste Lauflage in der Zylinderbuchse suchen. Bei eventuell auftretenden Kolbenfressern braucht bei den beweglichen Gleitschuhen nur der Gleitschuhkasten 45 ausgebaut werden. Da das Kolbenoberteil 1 bei dem beweglichen Gleitschuhkasten 45 durch ölkräfte im Spalt zwischen Kolbenringpartie und Zylinderbuchse zentriert ist und seine Lage beim Anlagewechsel dieses Gleitschuhkastens 45 kaum ändert, ist der Hingnutenverschleiß und der Kolbenringflankenverschleiß sehr niedrig.

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Claims

Ansprüche

1. Mehrteiliger Kolben für Brennkraftmaschine^ insbesondere Großdieselmotoren, mit einem Kolbenoberteil, der einen Kolbenboden sowie einen daran anschließenden, die Nuten für die Kolbenringe aufnehmenden Kolbenmantelteil umfaßt, und einem mit diesem verbundenen Kolbenunterteil, der einen mittleren, eine Kolbenbolzenlagerung umfassenden Tragteil und außerdem Gleitschuhe aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kolbenoberteil (1) mit ringförmig umlaufenden Ansätzen (6) auf dem sich hohlkegelförmig erweiternden oberen Abschnitt (12) des Tragteils (8) unter Aussparung von Kühlräumen direkt abstützt und daß der untere Abschnitt (9) des Tragteils (8) eine Lagerung (10) für den Kolbenbolzen (11, 56) bildet, wobei die Lagerung (10) eine den Kolbenbolzen (11, 56) auf der der Anschlußstelle der Treibstange (17) gegenüberliegenden Seite durchlaufend abstützende Lagerschalenfläche (18) aufweist, und daß im Kolbenbolzen (11, 56) Bohrungen (34, 36) unter einem Winkel von etwa 30° bis 60° zur Kolbenlängsachse (A-A) in einer Kolbenbolzenquerschnittsebene (35) gesehen vorhanden sind, an die sich in Taschen (33, 38) in der Lagerung (10) mündende, zu den Kühlräumen führende Kühlmittelbohrungen (32) im Tragteil (8) und Zufür^- bohrungen (37) in der Treibstange^ anschließen.

2. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenbolzen (11, 56) außerhalb der der durch-

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laufenden Lagerschalenfläche (13) gegenüberliegenden Wandungen Verteilnuten (39, 40) für das gleichzeitig als Kühlmittel dienende Schmieröl vorgesehen sind.

3. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Kolbenoberteil (1) in dem Bereich des cberen Kolbenmantelteils (4) über äußere ringförmige Ansätze (13) auf dem Rand des Tragteils (8) abstützt.

4. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen (A-A) und (B-B) des Kolbens und der zu einem in der Randzone (25) des Kolbenoberteils (1) gelegenen äußeren ringförmigen Kühlraum (26) verlaufende Kühlmittelbohrungen (32) einen Winkel von 0 bis 25° einschließen.

5. Mehrteiliger Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 4_a dadurch gekennzeichnet, daß der äußere ringförmige Kühlraum (26) über Kühlmittelbohrungen (41) mit einem zentralen Kühlmittelsammelraum (27) in Verbindung steht und der Kühlmittelsanxmelraum (27) Ablaufbohrungen (42) aufweist.

6. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch X^ dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe (15) einstückig mit dem Tragteil (8) ausgebildet sind.

7. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe (15) lösbar mittels Dehnschrauben mit dem Tragteil (8) verbunden sind_e

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~ 13 -

8. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschuhe als beweglicher Gleitschuhkasten (45) ausgebildet sind, der im Bereich der Lagerung (10) für den Kolbenbolzen (56) Bohrungen (47) aufweist, in die der Kolbenbolzen (56) mit seinen äußeren Enden (23) eingreift.

9. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) und die Treibstange (17) mittels Dehnschrauben miteinander verbunden sind.

10. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenoberteil (1) aus Stahl oder Stahlguß hergestellt ist.

11. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenunterteil (2) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.

12. Mehrteiliger Kolben nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen (16, 44) der Gleitschuhe (15, 45) mit einem Werkstoff mit guten Laufeigen^chaften beschichtet sind.

13. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) direkt in dem Werkstoff des Tragteils (8) gelagert ist.

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14. Mehrteiliger Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenoberteil (I) mit dsiii KcI benunterteil (2) lösbar mittels Schrauben (49) verbunden ist.

15. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem als Gleitschuhkasten (45) ausgebildeten Gleitschuh
im Bereich der Gleitflächen (44) Verstärkungsrippen (46) vorgesehen sind.

16. Mehrteiliger Kolben nach Anspruch I₄ dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenbolzen (11, 56) jeweils an den Enden (23) schräg nach innen verlaufende Ausnehmungen (24) aufweist.

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