Leichtmetallkolben für Brennkraftmasehinen. Bei der Verwendung von Leichtmetall kolben wird es als störend empfunden, dass die Brin.ellhärte der bekannten Leichtmetall kolbenlegierungen bei der Betriebstemperatur des Kolbenbodens sehr gering ist gegenüber dem früher als Kolbenwerkstoff fast all- (-"einein verwendeten Grauguss. Man hat schon versucht, diesem Nachteil dadurch zu begegnen,
dass man bei Leichtmetallkolben für die Kolbenringträger eine Einlage aus Graug iss oder Stahl verwendete.
Es zeigte sich jedoch, dass die bekannten Ausführungen dieser 'Art keine so betriebs- sichere Verbindung dieser Kolbenringträger mit dem Leichtmetallkolben ergeben, wie es nötig ist, um den Beanspruchungen im Be trieb durch sehr rasch ihre Grösse und Rich tung wechselnde Kräfte und über einen sehr grossen Temperaturbereich standzuhalten.
Verbindungen, die sonst als durchaus sicher gelten, zum Beispiel durch Eingiessen oder durch Verschraubung, erwiesen sich im Dauerbetrieb als ungenügend. Das Locker werden der Verbindung hatte aber den wei- teren, schwerwiegenden Nachteil im Gefolge, dass der Wärmefluss, der ja vom Kolben boden hauptsächlich durch die Kolbenringe an die Zylinderwand führt, empfindlich ge stört wurde.
Gemäss vorliegender Erfindung sind diese Verhältnisse dadurch verbessert worden, dass die spezifische Wärmeausdehnung der für den Kolbenringträger verwendeten Eisen legierung durch entsprechende Legierungszu sätze so gross gemacht wird, dass sie der jenigen der für den Kolbenkörper verwen deten Leichtmetallegierung nahezu gleiclh kommt.
Die Wärmeausdehnung des Kolbenring trägers kann hierbei so gross sein, dass die grössere Wärmeausdehnung des Kolbenwerk stoffes bei eintretender Erwärmung zwar in einem die Festigkeit des Kolbenringträgers nicht übersteigenden Masse gegen diesen Trä ger drückt und dadurch eine gewisse Ein schnürung des Kolbenkörpers bezw. eine Ausdehnung des Kolbenringträgers über das durch die Temperatur gegebene Mass hinaus verursacht, diese<B>Ei</B> inschnürung jedoch im wesentlichen innerhalb der Elastizitätsgrenze des Kolbenwerkstoffes,
sowie des Werk stoffes des harten Ringträgers bleibt.
Durch Legierungszusätze von Nickel, Kupfer, Molybdän usw. lässt. sich eine spe zifische Wärmeausdehnung vön 0,000020 er reichen. Als Kolbenbaustoff stehen Alumi- niumleg ierangen zur Verfügung, deren Wärmeausdehnung verhältnismässig gering ist. und beispielsweise nur noch etwa 0,000022 beträgt.
Dadurch wird eine genügende Anglei chung der Wärmeausdehnung erreicht. Der geringfügige, noch bestehende Unterschied hat auf die Betriebssicherheit keinen Einfluss, weil bei gleichzeitiger Erwärmung von Kol- benringträger und Kolbenwerkstoff dieser Unterschied sich durch noch zulässige Form änderungen innerhalb der Elastizitätsgrenze der beiden Werkstoffe ausgleicht.
Als Werkstoff für den Kolbenkörper kann man in diesem Fall eine der gebräuch lichen Aluminium-Kupfer-Legierungen ver wenden, zum Beispiel eine Legierung, wel che aus
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9 <SEP> -11 <SEP> % <SEP> Kupfer
<tb> 0,1- <SEP> 0,59o1 <SEP> Mangan
<tb> 1 <SEP> % <SEP> Eisen <SEP> und <SEP> mindestens
<tb> 8 <SEP> 7 <SEP> % <SEP> Aluminium besteht. oder eine Legierung, die aus
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4 <SEP> % <SEP> Kupfer
<tb> 1,5 <SEP> % <SEP> Magnesium
<tb> 2 <SEP> % <SEP> Nickel
<tb> 92,5 <SEP> % <SEP> Aluminium besteht, oder auch eine Legierung mit Kupfer. Nickel und Silizium, zum Beispiel
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12 <SEP> % <SEP> Kupfer
<tb> <B>-9,5 <SEP> /wo</B> <SEP> Nickel
<tb> 4 <SEP> ;ö <SEP> Silizium
<tb> 81,5 <SEP> % <SEP> Aluminium.
An Stelle einer Aluminiumlegierung könnte auch eine Magnesiumlegierung ver wendet werden, zum Beispiel
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3 <SEP> % <SEP> Zinn
<tb> 2 <SEP> % <SEP> .Silizium
<tb> 95 <SEP> % <SEP> Magnesium. Die Eisenlegierung für den Kolbenring träger kann 9-7% Nickel und 5 % Molybdän enthalten.
Soll die Angleichung noch weiter ge trieben weiden, so kann die Wärmeausdeh nung der Leichtmetallegierung durch Sili zium herabgedrückt werden. Hierdurch kann man eine Wärmeausdehnung von 0,000017 bis 19 erreichen für Aluminium- legierungen mit etwa 13 bis<B>25%</B> Silizium. In diesem Fall ist. eine so grosse Erhöhung der Wärmeausdehnung ,der Eisenlegierung für den Kolbenringträger nicht mehr nötig.
Hier genügt ein Zusatz von minimal <B>12)%</B> Nickel und minimal 550v Kupfer, um dem Grauguss eine Wärmeausdehnung von<B>0,000016</B> bis 18 zu geben.
Der früher bestehende Unterschied in der @j7ärmeausdehnung zwischen Leichtmetall und Grauguss kann nunmehr fast ganz über brückt werden.
Die Zeichnung zeigt mehrere Ausfüh rungsbeispiele für die Gestaltung und An bringung solcher Kolbenringträger aus Eisenlegierungen.
Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsbeispiele je im Schnitt längs.,der Achse; Fig. 3 ist eine Draufsicht zu Fig. 2; Fig. 4 stellt eine dritte Ausführung im Achsialsehnitt dar; Fig, 5 und 6 zeigen Sonderausführungen im Schnitt.
Gemäss Fig. 1 ist der Gussring a oben mit einem halsartigen Ringfortsatz b ver sehen. Dieser Fortsatz zeigt verschiedene Einfräsungen e. Die für den Kolbenkörper d verwendete Aluminiumlegierung fliesst in die Zwischenräume hinein und :sichert so den Ring gegen Verdrehen.
In Fig. 2 ist ein ähnlicher Ring gezeigt, bei dem besonders die radialen Aussparungen e beachtenswert sind. Auf der Innenseite ist der Ring mit einer ringförmigen Mulde i ausgestattet. Die Erprobung hat ergeben, dass, dies die :günstigste Form ist, um ein gutes Ausfliessen des Leichtmetalles zu er reichen. Eine weitere Form zeigt die Fig. d.
Hier ist ein Kordelgewinde f in den Pling a ein geschnitten, und zwar gegenläufig, das heisst bis zurr :litte Rechtsgewinde, die andere Hälfte Linksgewinde.
Die Fig. 5 zeigt einen Ring a, in dem zwei Kolbenringe g eingebettet sind. Hier- < lurch wird das Ausschlagen ider Kolbenring- uttten vermieden, da. die Härte des Ringes a bei Betriebstemperatur genügend gross ist, ,ini die schlagartigen Beanspruchungen auf zunehmen.
Trotzdem ist eine gute Wärme- ableituiig nach der Zylinderwand gewähr leistet, weil nicht alle Kolbenringe, sondern nur die am meisten beanspruchten, obersten Hinge in dem harten Material a eingebettet sind. Die eingezeichneten Pfeile veranschau lichen den Wärmefluss.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführung s form, bei der der harte Ring<I>a</I> bei h. bis zum Kolbenboden hochgezogen ist. Dies ist aus folgendem Grunde zweckmässig. Durch den Seitendruck wird bekanntlich der Kol ben von einer Zylinderwand zur andern ge schoben und der Kolbenboden kommt in un mittelbare Berührung- mit der Zylinderwand.
Während das Leichtmetall des Kolben körpers zu weich isst, um dieser dauernden Reibung an der Zylinderwand Widerstand zt1 leisten, ist durcb das Hochziehen des Grau- "#-tissringes entsprechend längere Verwendbar- keit des Kolbens erreicht.
In allen Fällen ist es vorteilhaft, den Ringträbei- vor dein Einlegen in die Kokille derart zii erwärmen, dass eine gleichmässige Erstarrung des L eiclitmetalles am Ringträger erreicht wird.
Light metal pistons for internal combustion engines. When using light metal pistons it is perceived as annoying that the Brin.ell hardness of the known light metal piston alloys is very low at the operating temperature of the piston crown compared to the gray cast iron previously used as a piston material. Attempts have already been made to this To counter disadvantage by
that an insert made of gray cast or steel was used for the piston ring carrier of light metal pistons.
It turned out, however, that the known designs of this type do not result in such an operationally reliable connection of this piston ring carrier with the light metal piston as is necessary to cope with the stresses in operation by forces that change their size and direction very quickly and over a very large amount to withstand a large temperature range.
Connections that are otherwise considered to be absolutely safe, for example by casting or screwing, turned out to be inadequate in continuous operation. The loosening of the connection, however, had the further, serious disadvantage that the heat flow, which mainly leads from the piston crown through the piston rings to the cylinder wall, was severely disturbed.
According to the present invention, these ratios have been improved in that the specific thermal expansion of the iron alloy used for the piston ring carrier is made so large by appropriate alloying additions that it is almost the same as that of the light metal alloy used for the piston body.
The thermal expansion of the piston ring carrier can be so great that the greater thermal expansion of the piston material when it heats up presses against this carrier in a mass that does not exceed the strength of the piston ring carrier, thereby causing a certain constriction of the piston body and / or. causes the piston ring carrier to expand beyond the amount given by the temperature, but this constriction is essentially within the elastic limit of the piston material,
as well as the material of the hard ring carrier remains.
Alloy additions of nickel, copper, molybdenum etc. A specific thermal expansion of 0.000020 can be achieved. Aluminum alloys, the thermal expansion of which is relatively low, are available as piston construction material. and is only about 0.000022, for example.
This achieves a sufficient adjustment of the thermal expansion. The slight, remaining difference has no influence on the operational safety, because when the piston ring carrier and piston material heat up at the same time, this difference is compensated by still permissible changes in shape within the elastic limit of the two materials.
In this case, one of the common aluminum-copper alloys can be used as the material for the piston body, for example an alloy made from wel
EMI0002.0017
9 <SEP> -11 <SEP>% <SEP> copper
<tb> 0.1- <SEP> 0.59o1 <SEP> manganese
<tb> 1 <SEP>% <SEP> Iron <SEP> and <SEP> at least
<tb> 8 <SEP> 7 <SEP>% <SEP> consists of aluminum. or an alloy made from
EMI0002.0018
4 <SEP>% <SEP> copper
<tb> 1.5 <SEP>% <SEP> magnesium
<tb> 2 <SEP>% <SEP> nickel
<tb> 92.5 <SEP>% <SEP> consists of aluminum, or an alloy with copper. Nickel and silicon, for example
EMI0002.0019
12 <SEP>% <SEP> copper
<tb> <B> -9.5 <SEP> / wo </B> <SEP> nickel
<tb> 4 <SEP>; ö <SEP> silicon
<tb> 81.5 <SEP>% <SEP> aluminum.
Instead of an aluminum alloy, a magnesium alloy could also be used, for example
EMI0002.0022
3 <SEP>% <SEP> tin
<tb> 2 <SEP>% <SEP> .Silicon
<tb> 95 <SEP>% <SEP> magnesium. The iron alloy for the piston ring carrier can contain 9-7% nickel and 5% molybdenum.
If the alignment is to go even further, the thermal expansion of the light metal alloy can be suppressed by silicon. This allows a thermal expansion of 0.000017 to 19 to be achieved for aluminum alloys with around 13 to 25% silicon. In this case it is. such a large increase in thermal expansion, the iron alloy for the piston ring carrier is no longer necessary.
An addition of a minimum of <B> 12)% </B> nickel and a minimum of 550v copper is sufficient to give the gray cast iron a thermal expansion of <B> 0.000016 </B> to 18.
The previously existing difference in thermal expansion between light metal and gray cast iron can now be bridged almost entirely.
The drawing shows several examples for the design and attachment of such piston ring carriers made of iron alloys.
1 and 2 show two different exemplary embodiments, each in a section along the axis; Fig. 3 is a plan view of Fig. 2; 4 shows a third embodiment in axial section; Fig, 5 and 6 show special designs in section.
According to Fig. 1, the cast ring a is seen above ver with a neck-like ring extension b. This extension shows various millings e. The aluminum alloy used for the piston body d flows into the spaces and: thus secures the ring against twisting.
In Fig. 2 a similar ring is shown in which the radial recesses e are particularly noteworthy. On the inside, the ring is equipped with an annular recess i. The tests have shown that this is the most favorable form in order to achieve a good outflow of the light metal. Another form is shown in FIG.
Here a cord thread f is cut into the pling a, in opposite directions, i.e. up to the r: litte right-hand thread, the other half left-hand thread.
5 shows a ring a in which two piston rings g are embedded. This prevents the piston ring grooves from knocking out because. the hardness of the ring a is sufficiently great at operating temperature to absorb the sudden loads.
Nevertheless, good heat dissipation to the cylinder wall is guaranteed because not all piston rings, but only the most stressed, uppermost hinges are embedded in the hard material a. The arrows shown illustrate the heat flow.
Fig. 6 shows a further embodiment s form, in which the hard ring <I> a </I> at h. is pulled up to the piston crown. This is useful for the following reason. As is known, the side pressure pushes the piston from one cylinder wall to the other and the piston head comes into direct contact with the cylinder wall.
While the light metal of the piston body eats too softly to resist this constant friction on the cylinder wall, pulling up the gray tiss ring means that the piston can be used for longer.
In all cases it is advantageous to heat the ring carrier before it is placed in the mold in such a way that uniform solidification of the lead metal on the ring carrier is achieved.