Warning: fopen(111data/log202009261516.log): failed to open stream: No space left on device in /home/pde321/public_html/header.php on line 107

Warning: flock() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 108

Warning: fclose() expects parameter 1 to be resource, boolean given in /home/pde321/public_html/header.php on line 113
Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen - Dokument DE2736815C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE2736815C2 13.08.1987
Titel Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Parker, David Alec;
Rhodes, Michael Ledsham Price, Leamington Spa, Warwickshire, GB
Vertreter Wilcken, H., Dr.; Wilcken, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 2400 Lübeck
DE-Anmeldedatum 16.08.1977
DE-Aktenzeichen 2736815
Offenlegungstag 09.03.1978
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.08.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.08.1987
IPC-Hauptklasse F02F 3/00
IPC-Nebenklasse F16J 1/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

In der DE-AS 10 83 084 ist ein Metallkolben mit einem Keramikeinsatz im Kolbenkopf offenbart. Hierbei ist im Kolbenkopf brennraumseitig eine zentrale, zylindrische Ausnehmung vorgesehen, in der zuunterst der Keramikeinsatz eingesetzt ist, der wiederum durch ein ringförmiges Schraubteil befestigt ist, das in der Ausnehmung koaxial zu dem Keramikeinsatz eingeschraubt ist und dagegen zur Anlage kommt. Mit dieser Befestigungskonstruktion für den Einsatz ist es nicht möglich, den Einsatz bei Betriebstemperaturen dauerhaft zu befestigen. Da der Keramikeinsatz ein sprödes Material ist und daher leicht bricht, kann er einer äußersten, unmittelbar einwirkenden Einspannkraft durch Schraubwirkung nicht widerstehen, so daß die axiale Einspannkraft begrenzt ist. Infolgedessen und aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungen des Einsatzes und des übrigen Kolbenmaterials verringert sich die Einspannkraft bei Betriebstemperaturen des Kolbens erheblich und insbesondere bei sehr hohen Kolbenbetriebstemperaturen, z. B. bei modernen Hochleistungsmotoren, tritt deshalb oft ein Lockerwerden des Keramikeinsatzes ein, der dadurch beträchtlichen Erschütterungen ausgesetzt ist, so daß er meistens zerbricht.

Die CH-PS 2 44 427 zeigt einen Kolben für Verbrennungsmotoren, dessen leichtmetallener Kolbenkörper von einem hülsenförmigen Kolbenringträger eingefaßt ist, wobei der Kolbenboden durch eine keramische Isolierschicht abgedeckt ist, die brennraumseitig zusätzlich noch durch ein hitzebeständiges Blech abgedeckt ist. Isolierschicht und Blech sind dabei durch den Kolbenringträger mit dem übrigen Kolbenkörper verbunden. Da das Blech in seiner radialen Ausdehnung bei Betriebstemperaturen nicht behindert sein soll und darf, um seine Beulung zu verhindern, darf das Blech und damit auch die keramische Isolierschicht praktisch keiner axialen Einspannkraft zwischen dem Kolbenkörper und dem nach innen vorspringenden Oberrand des Kolbenringträgers unterliegen. Ein Bruch der somit locker sitzenden keramischen Schicht ist daher bei Kolbenbetriebstemperaturen in aller Regel nicht zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung eines Kolbens der einleitend angeführten Art dahingehend, daß der Keramikeinsatz bei Betriebstemperaturen des Kolbens dauerhaft sicher im übrigen Kolben befestigt ist.

Die Lösung der Aufgabe geht von dem einleitend angeführten Kolben aus und ist durch die Kennzeichenmerkmale des Patentanspruches 1 verwirklicht.

Weitere Lösungsmerkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch diese Lösung kann der Keramikeinsatz im kalten Zustand des Kolbens einer gewünschten Vorspannung unterworfen werden, die auch im Betriebszustand des Kolbens bei dessen hohen und sehr hohen Mitteltemperaturen noch einen so großen Wert hat, daß der Keramikeinsatz dauerhaft sicher in dem übrigen Kolben festgelegt ist. Es wird also die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Einsatz und dem übrigen Kolben kompensiert durch die dem Federelement immanente, große Federkraft, die wahlweise einstellbar ist. Darüber hinaus hat die Verwendung des Federelementes den Vorteil, daß das Befestigen des Keramikeinsatzes in dem übrigen Kolben ohne Beschädigung des Einsatzes erfolgen kann, da eine direkte Reibung zwischen dem Einsatz und dem jeweiligen Befestigungsbauteil wegen des dazwischen befindlichen Federelementes nicht mehr gegeben ist. Des weiteren ist die vorgeschlagene Lösung einfach im Aufbau und dementsprechend kostengünstig durchzuführen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrerer in den anliegenden Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen ersten axialen Längsschnitt durch einen Kolben für Brennkraftmaschinen,

Fig. 2 einen zweiten axialen Längsschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab des Kolbens nach den Fig. 1 und 2 und in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 4 einen weiteren, der Fig. 3 entsprechenden Teilschnitt in einer abgeänderten Ausführungsform,

Fig. 5 einen noch weiteren Teilschnitt des Kolbens in vergrößertem Maßstab und in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 6 einen axialen Längsschnitt durch einen Kolben mit alternativer Befestigung eines Keramikeinsatzes an einem Kolben.

Der Kolben nach den Fig. 1 und 2 umfaßt einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallkörper mit einem Kolbenschaft 10, der wiederum mit einem Kolbenbolzennabenpaar 11 versehen ist. Der Metallkörper weist an seinem Oberende eine integrale Querwandung mit einer umfangsmäßig abgestuften, ebenen Auflagefläche 12 auf. Der zentrale Teil des Kolbenkopfes ist aus einem Keramikeinsatz einzeln gebildet, der z. B. aus Siliziumnitrid besteht und mit einer Brennraummulde 14 versehen ist sowie einen Falz 15 an seinem oberen Umfangsende aufweist. Der Einsatz 13 ist, im Radialschnitt betrachtet, kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zum übrigen Kolbenkörper angeordnet. Der Keramikeinsatz kann z. B. auch aus Siliziumkarbid, aus Sialon, aus Glaskeramik oder anderen Keramiken bestehen, vorausgesetzt, daß sie die Eigenschaften einer hohen Festigkeit gegen Wärmeschock und für hohe Betriebstemperaturen geeignet sind.

Der Einsatz 13 ist durch eine Hülse 16 mit dem unteren Kolbenkörper verbunden, die einen einwärts gerichteten Ringflansch 17 besitzt, der in den Falz 15 eingreift. Die Hülse 16 ist an ihrem Unterende 16a mit einem Innengewinde versehen, das mit einem Außengewinde des Falzes 12a am Kolbenkörper im Umfangsbereich der als Auflage für den Keramikeinsatz 13 dienenden Fläche 12 in Eingriff steht.

Die Hülse 16 bildet eine aufrechte Fortsetzung des Kolbenschaftes 10 und ist mit Ringnuten zur Aufnahme und Lagerung der üblichen Kolbenringe (nicht gezeigt) versehen. Der Körper 16 bildet auf diese Weise einen Kolbenringträger.

Beim Zusammensetzen des Kolbens wird die Hülse 16 auf den Metallkörper des Kolbens geschraubt. Die Hülse 16 kann vor der Montage mit einem zinnenartigen Oberende 18 (strichpunktiert dargestellt) versehen sein, um sein Festschrauben mit dem unteren Kolbenkörper zu erleichtern, wobei der zinnenartige Oberbereich nach dem Festschrauben maschinell entfernt wird. Die Hülse, die durch einen Gewindestift 19 gegen Verdrehung gesichert ist, und der Flansch 17, welch letzterer in diesem Fall mit dem Hülsenkörper zusammenhängend ausgebildet ist, bestehen vorzugsweise aus Gußeisen oder Stahl.

Gemäß Fig. 3 ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein axialer Ringraum zwischen dem Umfangsfalz 15 am Keramikeinsatz 13 und dem Flansch 17 der Hülsen 16 ausgebildet ist und daß in diesem Ringraum ein in axialer Richtung wirkendes Federelement 17a, z. B. eine Federscheibe vom Belleville-Typ (Tellerfeder), die grundsätzlich konusstumpfförmige Gestalt aufweist, vorgesehen ist. Hierdurch wird eine Axialkraft erzeugt, die den Keramikeinsatz 13 in Position hält, wenn sich das Metall des Kolbens im Betrieb aufgrund der Erwärmung ausdehnt. Eine solche Federscheibe ist mit 17a in Fig. 3, die einen Teilschnitt der Fig. 1 und 2 darstellt, bezeichnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Kolbenkonstruktion gegenüber derjenigen nach den Fig. 1 und 2 insofern abgeändert, als daß die den Keramikeinsatz 23 zentrierende Hülse 26 nicht als Schraubteil, sondern als einstückige Fortsetzung des unteren metallenen Kolbenkörpers ausgebildet ist. Weiterhin wird der Einsatz 23 durch einen einwärts gerichteten Ringflansch 27 mit Außengewinde gehalten, der mit dem Innengewinde am Oberende des Hülsenkörpers 26 in Eingriff steht, wobei der Ringflansch in einen Falz 25 am Keramikeinsatz 23 eingreift.

Auch in diesem Fall befindet sich in dem Ringraum, der in dem Falz 25 des Einsatzes 23 durch Begrenzung des Flansches 27 ausgebildet ist, eine Tellerfeder 27a, die eine Axialkraft ausübt, um den Keramikeinsatz 23 in Position zu halten, wenn sich das Metall des Kolbens im Betrieb aufgrund der Erwärmung ausdehnt.

Ein äquivalentes Ergebnis kann alternativ dadurch erzielt werden, daß eine gleiche Federscheibe zwischen der Unterfläche des Keramikeinsatzes und der Gegenfläche des darunter befindlichen Metallkörpers des Kolbens angeordnet ist, um den Keramikeinsatz gegen den Halteflansch der betreffenden Hülse zu drücken.

Ein vergleichbares Federelement, z. B. eine in Umfangsrichtung gewellte Ringfeder, die parallel zur Kolbenachse einen Linienkontakt erzeugt, kann in einem Ringraum vorgesehen sein, der zwischen dem Keramikeinsatz und der diesen umgebenden Hülse ausgebildet ist, z. B. in jedem der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele. Ein solches Federelement ist mit 27b in Fig. 5 bezeichnet, die eine entsprechend abgeänderte Ausführung des in Fig. 4 gezeigten Kolbens darstellt.

Eine andere geeignete Form eines Federelementes für jede Stellung besteht aus einer federnden gewirkten oder gewebten Metallmatte.

Fig. 6 veranschaulicht die Möglichkeit einer weiteren Befestigungsart des den Keramikeinsatz in Verbindung mit einem Federelement (nicht gezeigt) und einen haltenden Flansch. Ein hülsenförmiger Kolbenringträger 36 bildet hier den vorstehend erläuterten Hülsenkörper 16 bzw. 26 und ist durch Angießen mit dem übrigen Kolbenkörper 32 verbunden. Der Kolbenringträger umgibt in axialer Richtung teilweise den eine Mulde 34 aufweisenden Keramikeinsatz 33. In einen umfangsmäßigen Falz 35 am Oberende des Keramikeinsatzes 33 ragt ein Halteflansch 37 hinein. Dieser Flansch ist innen am Oberende des Kolbenringträgers 36 angeschweißt. Alternativ kann er aber auch verschraubt sein, wie es auch möglich ist, daß der Flansch 27 nach den Fig. 4 und 5 an der Hülse 26 angeschweißt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem metallischen Kolbenkörper, der den Kolbenschaft und die beiden Kolbenbolzenlageraugen einschließt, mit einem Kolbenkopf, der aus einem wenigstens den zentralen Teil des Kopfes einnehmenden Keramikeinsatz besteht und durch eine metallene Hülse mit einem Flansch fest in Stellung gehalten wird, wobei die Hülse den Einsatz umgibt und mit dem Kolbenkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Federelement (17a; 27a) in einem Ringraum angeordnet ist, der zwischen einem Umfangsfalz (15; 25) am Keramikeinsatz (13; 23) und dem Flansch (17; 27) ausgebildet ist, und daß das Federelement in axialer Richtung des Kolbens wirksam ist, um die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Einsatz (13; 23) und dem Flansch (17; 27) im Betrieb des Kolbens auszugleichen.
  2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axial wirkende Federelement (17a; 27a) eine Tellerfeder in Form einer konischen, ringförmigen Scheibe ist.
  3. 3. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem metallenen Kolbenkörper, der den Kolbenschaft und die beiden Kolbenbolzenlageraugen einschließt, mit einem Kolbenkopf, der aus einem wenigstens den zentralen Teil des Kopfes einnehmenden Keramikeinsatz besteht und durch eine metallene Hülse mit einem Flansch fest in Stellung gehalten wird, wobei die Hülse den Flansch umgibt und mit dem Kolbenkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Umfangsrichtung gewellte Ringfeder (27b) vorhanden ist, die in einem Ringraum zwischen dem Keramikeinsatz (23) und der Hülse (26) angeordnet ist, um die unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem Einsatz (23) und der Hülse (26) in einer Richtung auszugleichen, die quer zur Längsachse des Kolbens verläuft.
  4. 4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (26) mit dem übrigen Kolbenkörper verschraubt ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

  Patente PDF

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com