Leichtnetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einem Ringträger aus verschleiss.festem Werkstoff, welcher wenigstens eine Kolbenringnut enthält und bis zum oberen Rand der Kolbenkrone reicht.
Es ist bekannt, gegossene Leichtmetallkolben mit einem eingegossenen Ringträger zu versehen, der über die erste oder mehrere Ringnuten reicht. Bei Schwerölbetrieb wurde dieser Ringträger bis zur Kolbenkrone verlängert, um den Verschleiss an den Kolbenkrone durch den höheren Anfall von Verbrennungsrückständen möglichst gering zu halten.
Da sich beim Abkühlen des Kolbens, nach dem Giessen das flüssige Leichtmetall, welches darüberhinaus noch einen verhältnismässig grossen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, stärker zusammenzieht als der in fester Form eingebrachte Ringträger, entsteht an der Trennfläche zwischen dem Leichtmetall und dem Ringträger eine Zugspannung, die zu einem Klaffen zwischen Aluminiumkolben und Ringträger führen kann. Sofern ein Ablösen nicht eintritt, bleiben hohe Restspannungen, die um so grösser sind, je grösser und steifer der Verschleissring bzw. Ringträger wird, d. h.
also, je grösser die Kolbenabmessungen werden. Dar überhinaus haben die bekannten Ausführungen den Nachteil, dass sie nur bei gegossenen Kolben anwendbar sind.
Ferner ist es bekannt, bei geschmiedeten Leichtmetallkolben in der Nähe der Kolbenkrone einen zur Führung des Kühlmittels dienenden Könper in einer Ausnehmung anzuordnen und diesen durch Umgiessen mittels metallischen Werkstoffs festzuhalten und mit dem Kolbenkörpen zu verbinden (DBP 1 066 048).
Auch bei dieser Ausführung besteht die Gefahr einer nicht dauerhaften Verbindung.
Zur Behebung der erwähnten Mängel wird bei einem Leichtmetallkolben der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, den Ringträger auf die Kolbenkrone aufzuschrumpfen und dessen innere Mantelfläche konisch auszubilden, derart, dass deren Durchmesser im Bereich des Kolbenbodens grösser ist als in dem den oder die Kolbenring(e) tragenden Teil.
Der Ringträger ist dabei vorzugsweise aus einem austenitischen Material oder einem anderen Material mit ähnlicher Wärmedehnung und reicht zweckmässig bis zum oberen Rand der Kolbenkrone. An seinem unteren Ende sind zweckmässig eine oder auch mehrere Ringnuten, die u. U. gehärtet oder auch verchromt werden können, vorgesehen. Damit der Ringträger durch die Massenkräfte bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens sich nicht löst, sitzt er an seinem unteren Ende vorzugsweise auf einer Schulter des Leichtmetallkolbens, und seine innere leicht konische Mantelfläche verhindert seine Bewegung nach oben im aufgezogenen Zustand.
Die erfindungsgemässe Ausführung, die auch bei geschmiedeten Kolben verwendet werden kann, hat zudem den Vorteil, dass an der Trennfläche zwischen Ringträger und Leichtmetallkolben eine Druckspannung erzeugt wird, die auch während des Betriebes zum grossen Teil erhalten bleibt.
Weil die Temperatur des Verschleissringes im Betrieb, da er direkt den heissen Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, höher als der entsprechende Bereich des Leichtmetallkolbens selbst wird, gleicht sich die höhere Temperatur und die geringere Wärmeausdehnung des Ringträgers in etwa aus.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Der Kolben selbst kann in beliebiger Weise ausgebildet und durch Schmieden oder Giessen hergestellt sein. Im Bereich der Kolbenkrone 1 ist ein an sich bekannter Ringträger 2 vorgesehen, welcher wenigstens eine Kolbenringnut 4 enthält und bis zum oberen Rand der Kolbenkrone 1 reicht. Nach der Erfindung ist der Ringträger 2 auf die Kolbenknone aufgeschrumpft und weist eine konische innere Mantelfläche 5 auf.
Um einen festen Sitz des Ringträgers zu gewährleisten, ist der innere Durchmesser des Ringträgers im Bereich der Kolbenkrone Dl grösser als in dem den oder die Kolbenning(e) tragenden Teil, wobei die Konizität der inneren Mantelfläche so bemessen ist, dass der Ringträger 2 nach dem Erwärmen und/oder dem Abkühlen des Kolbenkörpers mit seinem kleineren Durchmesser D2 über den grösseren Durchmesser des Kolbenkörpers am Kolbenboden 1 schiebbar ist. Der Ringträger 2 kann selbstverständlich im Bedarfsfall auch über mehr als eine Kolbenringnut 4 reichen, wie mit strichpunktierten Linien angedeutet ist. Im Kolbenkörper können hinter den Ringnuten auch an sich bekannte Kühlräume vorgesehen sein.
Light metal pistons, especially for internal combustion engines
The invention relates to a light metal piston, in particular for internal combustion engines, with a ring carrier made of wear-resistant material which contains at least one piston ring groove and extends to the upper edge of the piston crown.
It is known to provide cast light metal pistons with a cast-in ring carrier which extends over the first or more ring grooves. In heavy oil operation, this ring carrier was extended to the piston crown in order to keep the wear on the piston crown as low as possible due to the increased accumulation of combustion residues.
Since the liquid light metal, which also has a relatively high coefficient of thermal expansion, contracts more than the solid ring carrier when the piston cools after casting, a tensile stress arises at the interface between the light metal and the ring carrier, which causes a gap between the aluminum piston and the ring carrier. If detachment does not occur, high residual stresses remain, which are greater the larger and stiffer the wear ring or ring carrier becomes, i.e. H.
so the larger the piston dimensions are. In addition, the known designs have the disadvantage that they can only be used with cast pistons.
It is also known to arrange a body serving to guide the coolant in a recess near the piston crown in forged light metal pistons and to hold it in place by encapsulating it with metallic material and connecting it to the piston body (DBP 1 066 048).
With this design, too, there is a risk of a non-permanent connection.
In order to remedy the above-mentioned deficiencies, it is proposed according to the invention, in a light metal piston of the type mentioned at the outset, to shrink the ring carrier onto the piston crown and to make its inner jacket surface conical in such a way that its diameter in the area of the piston crown is greater than in the piston ring or rings e) supporting part.
The ring carrier is preferably made of an austenitic material or another material with similar thermal expansion and expediently extends to the upper edge of the piston crown. At its lower end, one or more annular grooves are useful, which u. U. can be hardened or chrome-plated, provided. So that the ring carrier does not come loose due to the inertial forces during the up and down movement of the piston, it sits at its lower end preferably on a shoulder of the light metal piston, and its inner slightly conical outer surface prevents its upward movement in the open state.
The embodiment according to the invention, which can also be used with forged pistons, also has the advantage that a compressive stress is generated at the interface between the ring carrier and the light metal piston, which is largely retained during operation.
Because the temperature of the wear ring during operation, as it is directly exposed to the hot combustion gases, is higher than the corresponding area of the light metal piston itself, the higher temperature and the lower thermal expansion of the ring carrier roughly equalize.
An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing.
The piston itself can be designed in any way and manufactured by forging or casting. In the area of the piston crown 1, a ring carrier 2 known per se is provided which contains at least one piston ring groove 4 and extends as far as the upper edge of the piston crown 1. According to the invention, the ring carrier 2 is shrunk onto the piston cone and has a conical inner lateral surface 5.
In order to ensure a tight fit of the ring carrier, the inner diameter of the ring carrier in the area of the piston crown Dl is greater than in the part carrying the piston ring (s), the conicity of the inner lateral surface being dimensioned so that the ring carrier 2 after the Heating and / or cooling of the piston body with its smaller diameter D2 can be pushed over the larger diameter of the piston body on the piston head 1. The ring carrier 2 can of course, if necessary, also extend over more than one piston ring groove 4, as indicated by dash-dotted lines. In the piston body, known cooling spaces can also be provided behind the annular grooves.