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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem
Ringträger
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, der mit einem elastisch verformbaren Ringträger aus Schwermetall ausgerüstet ist.
Derartige Ringträger sind insbesondere für Kolben vorteilhaft, die in Dieselmotoren eingebaut werden.
Die zur Herstellung solcher Kolben benutzten Leichtmetallegierungen sind im Bereich des Kolbenkopfes mit dem Ringfeld einem verhältnismässig hohen Verschleiss unterworfen, weil sie eine vergleichsweise niedrige Warmfestigkeit und Härte aufweisen. Infolge des Verschleisses, der auch bei den Ringnuten nicht haltmacht, tritt eine Nutverbreiterung auf, so dass die Verdichtungsringe zu grosse axiale Bewegung- möglichkeiten erhalten, die sich im Durchpumpen von Öl, also durch einen hohen Ölverbrauch, und in einem Eindringen der Verbrennungsgase hinter dem Ring auswirken. Es tritt dann bekanntlich ein unzulässiges Aufheizen der Verdichtungsringe ein, was schliesslich noch zu hohen Schlagbeanspruchungen mit einem nachfolgenden Bruch der Ringe führt.
Seit Kolben aus Leichtmetallen für Verbrennungskraftmaschinen gebaut werden, ist versucht worden, diesem Mangel dadurch abzuhelfen, dass die oberen Ringnuten mit Werkstoffen hoher Warmhärten und Festigkeit ausgekleidet werden. Hiefür kommen aus Stahl oder allgemein aus Eisenwerkstoffen bestehende massive durchlaufende Ringe für den Ringträger in Frage. Wenn bisher eine solche Auskleidung der oberen Ringnuten nur in einem bescheidenen Anteil der Kolbenproduktion vorgenommen worden ist, so geschah dies nur deshalb, weil die bekannten Ausführungen erhebliche technische Mängel aufweisen und darüber hinaus wirtschaftlich so teuer sind, dass der zu genauer Kalkulation gezwungene Motorenbau darauf nicht zurückgreifen konnte.
Die Verwendung von Ringträgern aus Stahl oder Eisen hat vor allem auch noch den Nachteil, dass, abgesehen von dem hohe Massenkräfte verursachenden Gewicht, in der Trennfläche durch die verschiedenen Wärmedehnungen des Leichtmetall- und Schwermetall werkstoffes hohe Spannungen auftreten, die zu Lockerungen des Ringträgers im Leichtmetallgrundwerkstoff und häufig auch zum Bruch des ersteren führen. Derartige Ringträger können daher technisch nicht befriedigen, so dass ihre Benutzung deshalb auch stets umstritten geblieben ist.
Um die Flanken der Nuten für die Verdichtungsringe des Leichtmetallkolbens gegen ein Ausschlagen zu schützen, ist ferner auch schon die Anordnung von Stahlscheiben bekannt geworden. Diese Stahlscheiben weisen, wenn sie einen geschlossenen Ring bilden, an ihrem inneren Umfang kreisförmige Ausnehmungen auf, die zur Verankerung dienen. Selbst wenn zwei derartige Scheiben zur Abdeckung der Nutenflanken, in welchen die Verdichtungsringe des Kolbens Platz finden sollen, vorgesehen werden, ist ein solches Gebilde keineswegs so elastisch, dass es den Verformungen des Kolbens zu folgen vermag, die durch die Erwärmung während des Betriebes eintreten.
Es sind weiterhin auch schon Stahlscheiben mit Verankerungen im einschlägigen Schrifttum angegeben. Sie weisen schräg nach oben und unten gerichtete Abbiegungen auf. Wenn zwei derartige Scheiben in einer Ringnut des Kolbens untergebracht sind, werden sie durch Schweissen zusammengehalten und bilden den Ringraum für den Kolbenring. Jede der beiden einzelnen Scheiben kann nach innen hin gerichtete Ausnehmungen aufweisen, die so gestaltet sind, dass sie sich nach der Mitte der Scheibe hin verengen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, aus der Scheibenebene nach unten und nach oben durch radial verlaufende Einschnitte Lappen herauszubiegen, die parallel und horizontal zueinander verlaufen und einen
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Ring bilden, dessen Flanken über ihren Umfang gleichmässig verteilte Unterbrechungen aufweisen.
Zur Erleichterung der Herstellung der radialen Einschnitte sind kreisförmige Bohrungen in dem Blech vorgesehen worden. Derartige, zu einem Ringraum verformte Schutzscheiben für die Nuten zur Aufnahme der Kolbenringe sind aber nicht genügend elastisch verformbar, um allen Betriebszuständen gerecht zu werden. Sie können den Wärmedehnungen des Aluminiumkolbenkörpers daher nicht folgen und haben auch nicht diese Aufgabe.
Weiterhin ist es bekannt, massive Ringträger aus Eisenwerkstoffen mit radialen Einschnitten, z. B. abwechselnden inneren und äusseren Einfräsungen, zu versehen. Derart verformungsweiche Träger können zwar die durch ihre verschiedene Wärmedehnung gegenüber dem Leichtmetallgrundwerkstoff hervorgerufenen Spannungen abbauen, ohne dass ein Bruch befürchtet werden muss. Die Herstellung ist aber durch die notwendigen Dreh- und Fräsarbeiten teuer, so dass diese Vorschläge keine technische Verwendung gefunden haben.
Schliesslich ist auch schon empfohlen worden, den Ringträger aus einem geschlossenen wellen-oder zickzackförmigen Stahlband darzustellen. Damit wäre ein grosser Grad von Verformungsweichheit erzielt, der Brüche des Ringträgers infolge grösserer Wärmedehnung des Grundwerkstoffes aus Leichtmetallen mit Sicherheit verhindert ; aber der Anteil der Stahlauflage, der das Tragen des Ringes in der Ringnut übernimmt, bleibt gegenüber dem Traganteil des Leichtmetall verhältnismässig bescheiden, wodurch eine grösstmögliche Verschleiss verminderung nicht gewährleistet ist. Diese Anordnung hat auch den grundsätzlichen Nachteil, dass die ausserhalb des wellenförmigen Stahlbandes liegenden Teile des Kolbenkörpers aus Leichtmetall nicht festgehalten werden und nach aussen ausbrechen können.
Gegenstand der Erfindung ist ein Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem eingegossenen, elastisch verformbaren Ringträger aus Schwermetall, der aus deckungsgleich angeordneten Einzelringstanzblechen in Form von geschlossenen Ringen aufgebaut ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass dieEinzelringstanzblechean ihrem Umfang jeweils gegeneinander versetzt angeordnete innere und äussere Ausnehmungen aufweisen, die sich in ihrer radialen Tiefe überschneiden und deren grösste Breite gegen die offene Umfangseite abnimmt. Eine recht wirtschaftliche Fertigung ergibt sich dann, wenn das Stanzwerkzeug kreisbogenförmige Ausnehmungen sowohl auf der Innen- als auch Aussenseite des Ringträgers liefert.
Die Figuren veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel. Die Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Leichtmetallkolben ; die Fig. 2 - 4 sind Querschnitte durch den Ringträger.
Um höhere Wirtschaftlichkeit zu erzielen, wird der Ringträger 1 vorteilhaft aus gestanzten Stahlblechen hoher Festigkeit von etwa 60 kg/mm2 hergestellt. Da deren Höhen in Motoren bis etwa 150 mm Bohrung bei 2 - 3 mm liegen, hat der Ringträger eine Höhe von etwa 6 - 8 mm. Die einzelnen gestanzten Bleche haben Wandstärken bis zu etwa 4 mm. Die einzelnen Stanzblech werden deckungsgleich aufeinandergelegt und fest, beispielsweise durch Punktschweissung, miteinander verbunden. Auf diese Weise können Ringträger an sich beliebig axialer Höhe unter Aufwendung geringster Kosten in kürzester Zeit angefertigt werden.
Zur Erzielung einer möglichst grossen Verformungsweichheit und damit zur Vermeidung unzulässiger Spannung zwischen dem Ringträger und demLeichtmetallkörper erhalten die einzelnen gestanzten Blechkörper innen bei 2 und aussen bei 3 Ausnehmungen. Dabei kann so vorgegangen werden, dass die Breite der äusseren Ausnehmung 3 (Fig. 2) in Richtung des Ringträgermittelpunktes zunimmt, während die Breite der inneren Ausnehmung 2 abnimmt. Durch diese Massnahme gelingt es, einen absolut sicheren Verband zwischen Ringträger und dem Leichtmetall werkstoff des Kolbens zu erzielen, so dass insbesondere ein Loslösen der in den äusseren Ausnehmungen befindlichen Leichtmetallteile sicher verhindert ist.
Mit Rücksicht auf gegebenenfalls in der Innenkante des Ringträgers auftretende Spannungen durch die verschiedene Wärmedehnung des Kolben- und Ringträgerwerkstoffes kann es auch zweckmässig sein, die Innenausnehmungen nach Fig. 3 so zu gestalten, dass der Kolbenkörper keilförmig in die inneren Ausnehmungen des Ringträgers eindringen kann. In diesem Falle nimmt die Breite der inneren Ausnehmung 4 zum Mittelpunkt des Ringträgers zu. Es ist zweckmässig, die seitliche Begrenzung der Ausnehmungen in diesem Falle geschwungen zu führen, etwa wie Fig. 3 zeigt.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, die eine besonders wirtschaftliche Art des Stanzwerkzeugs ergibt. Bei dieser Ausführung werden die inneren und äusseren Ausnehmungen des Ringträgers kreisbogenförmig ausgeführt, wobei die dehnungsweiche Form des Ringträgers dadurch gewährleistet bleibt, dass die runden inneren und äusseren Ausnehmungen die innere und äussere Begrenzung des Ringträgers unterbrechen.
Beim Punktschweissen werden die einzelnen gestanzten Bleche so aufeinander geschichtet, dass sich die inneren und äusseren Aussparungen genau decken.
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Die erfindungsgemässe Gestaltung des Ringträgers bietet eine absolute Sicherheit gegen Bruch im Ringträgerkörper, weil der letztere durch die inneren und äusseren Ausnehmungen so verformungsweich gehalten ist, dass er dem grösseren Wärmewachstum des Kolbenkörpers folgen kann, ohne unzulässige Spannungen auszubilden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einem eingegossenen, elastisch verformbaren Ringträger aus Schwermetall, der aus deckungsgleich angeordneten Einzelringstanzblechen in Form von geschlossenen Ringen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelringstanzbleche (1) an ihrem Umfang jeweils gegeneinander versetzt angeordnete innere und äussere Ausnehmungen (2,3) aufweisen, die sich in ihrer radialen Tiefe überschneiden und deren grösste Breite gegen die offene Umfangseite jeweils abnimmt (Fig. l, 2,4).