DD279290A1

DD279290A1 - Kolben fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DD279290A1
Application number: DD32474789A
Authority: DD
Inventors: Lutz Buechner; Alexander N Schalei
Original assignee: Druckguss U Kolbenwerke Veb
Priority date: 1989-01-02
Filing date: 1989-01-02
Publication date: 1990-05-30

Abstract

Kolben fuer Verbrennungsmotoren die hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und daher besondere Massnahmen zur Kuehlung, insbesondere das Anbringen eines Kuehlkanals erfordern. Erfindungsgemaess weist der Kolben im Bereich des Ringfeldes einen durch ein ringfoermiges Element verschlossenen Kuehlkanal auf. Dieser besteht aus mehreren, mindestens zwei Segmenten, welche mit einem Kolbengrundkoerper in radialer Richtung durch 2 parallele Naehte, die durch Anwendung des Elektronenstrahlschweissverfahrens entstanden, verbunden sind. Durch Anwendung eines geeigneten Plasmaumschmelzverfahrens wird eine Verfestigung dieser Segmente im Bereich bis zu 0,8 ihrer Breite und einer Tiefe des 1,2fachen der Ringnutentiefe erzielt. Die Ringnuten sind am Kolben derart angeordnet, dass ihre Flanken im Bereich der plasmaumschmelzveredelten Zone und der Elektronenstrahlschweissnaehte liegen. Das Material des ringfoermigen Elementes kann sich von dem des Kolbengrundkoerpers unterscheiden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet dor Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Kolben für Verbrennungsmotoren, die hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind und daher besondere Maßnahmen zur Kühlung, insbesondere das Anbringen eines Kühlkanals, und zum Abbau thermischer Spannungen erfordern. In besonders vorteilhafter Weise lassen sich die erfindungsgemäßen kolben daher in schnellaufenden Verbrennungsmotoren, speziell in Dieselmotoren, einsetzen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Kolben für Verbrennungsmotoren ist in der Kette der Kraftübertragungen ein wichtiges Bauteil. Für das Einsatzgebiet gekühlter Kolben gibt es zahlreiche Lösungen, die serienmäßig gefertigt werden.

Mit der Anwendung der Ladungsträgerstrahlverfahren sind neue konstruktive Lösungen entstanden, welche in der Herstellung erhöhte Aufwendungen erfordern, um gestalte- und betriebssichere Bauteile herzustellen.

Diese in der Patentliieratur offerierten Lösungen haben Nachteile wie z. B.

- Arbeitsaufwand für die Bearbeitung des Kolbenkopfes und ringförmiger Einsatz.

- Durchführung einer Beschichtung des Einsatzkörpers vor der Montage bzw. Herstellung eines mit einem Ringträger versehenen Einsatzkörpers.

- Einbringung von mindestens 2 Schweißnähten in verschiedenen Ebenen, welche Deformationen hervorrufen können.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine konstruktive Lösung für einen Kolben mit Kühlkanal anzugeben, der mindestens die gleichen Gebrauchseigenschaften wie die bekannten Ringträgerkühlkanalkolben aufweist, jedoch mit wesentlich geringerem Aufwand herstellbar ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenkonstruktion anzugeben, bei der der Kühlkanal mit wenigen technologischen Schritten geschlossen und zugleich eine Verfestigung funktionsbestimmender Teile des Ringfeldes erreicht werden kann, ohne schädliche Spannungen im Kolbengrundkörper hervorzurufen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Kolben, der im Bereich des Ringfeldes einen durch ein ringförmiges Element aus gleichem oder ähnlichem Material wie der Kolbengrundkürper verschlossenen Kühlkanal aufweist. Dabei besteht das den Kühlkanal verschließende Element aus mehreren, mindestens aus zwei Segmenten, welche mit dem Kolbengrundkörper in radialer Richtung durch zwei parallele Nähte, die durch Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahrens entstehen, verbunden sina. Analog dazu sind die Segmente untereinander dicht verbunden und verschließen so den Kühlkanal. Durch Anwendung eines geeigneten Ladungsträgerumschmelzverfahrens wird eine Verfestigung dieser Segmente in einem Bereich bis zu 0,8 ihrer Breite und mindestens in einer Tiefe des 1,2fachen der Ringnutentiefe erzielt. Die Ringnuten sind am Kolben derart angeordnet, daß ihre Flanken im Bereich der plasmaumschmelzvere.ielten Zone oder der Elektronenstrahlschweißnähte liegen. Die Tiefe des den Kühlkanal verschließenden, aus Segmenten gebildeten ringförmigen Elementes beträgt dabei mindestens das 1,6fache der Ringnutentiefe.

Das Material des Elementes kann sich hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung von dem des Kolbengrundkörpers unterscheiden. Insbesondere kann eine Leichtmetall-Legierung auf Aluminiumbasis mit einem Wasserstoffgehalt von 0,3cm³ h₂ je 100g Metall zum Einsatz kommen.

Es hat sich gezeigt, daß eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit tier Kolbenringnuten erreicht wird, wenn eine zusätzliche Legierung verschiedener metallischer Elemente während der Umschmelzveredlung des den Kühlkanal verschließenden Segmentes erfolgt. Die Konzentration dieser zusätzlichen Legierungsbestandteile ist dabei 3- bis 12mal größer als im Grundmaterial.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es, den Kühlkanal am vorbearbeiteten Kolbengrundkörper in technologisch sehr vorteilhafter Weise durch von außen einzusetzende Segmente zu verschließen. Die Konstruktion erlaubt dabei gleichzeitig ein ι Verfestigung des Ringnutenbereiches, ohne dabei schädliche mechanische Spannungen zu erzeugen. Das gefundene Konstruktionsprinzip ist tolerant hinsichtlich des Kolbendurchmessers und der Anzahl und Anordnung der Kolbenringe.

Ausführungsbetspiel

In der Figur ist ein halber Längsschnitt eines Kühlkanalkolbens dargestellt, in welchem d'3 Lösungsv jrianten offenbart sind. Der Kolben 1 besteht aus dem Kolbenkopfbereich 2, dem Kühlkanal 3 und den aus mehreren Teilen (mindestens 2) zi'sammsnsetzbaren ringförmigen Elementen 4. Diese ringförmigen Elemente 4 worden von außen in den Kolben 1 eingesetzt und mittels ES-Nähte 5 und 6 radial verschweiß*. Das ringförmige Element 4 wird nachfolgend mit dem Plasmaumschmelzverfahren mit Zusatzwerkstoff (vornehmlich Ni) umschmelzveredelt (Plasmaumschmelzbereich 7).

Dadurch wird der Kühlkanal 3 des Kolbens 1 hermetisiert, so daß die zwischen den ringförmigen Elementen liegenden Teilungsnähte verbunden werden.

Die Lage der Kohenringnute 8 bzw. Kolbenringnuten kann entsprechend den vorliegenden motorischen Anforderungen so gewählt werden, daß die Kolbenringnutenflanken mit den ES-Nähten 5 bis 6 in Übereinstimmung gebracht werden können.

Die Verfestigung des Kolbengrundmaterials (Elektronenstrahlnaht 5 und 6) im Kolbenringnutenbereich und der Plasmaumschmolzung 7 im ringförmigen Einsatz 4 gewährleistet die vollständige Dichtheit des Kühlkanals 3.

Die Prozesse der Umschmelzbehandlutig können unmittelbar nacheinander erfolgen und vereinfachen die Herstellungstechnologie.

Bei Verwendung von Zusatzwerkstoff im Plasmabereich 7 muß die Konzentration der Legierungsbestandteile, z. B. Nickel mindestens 3% betragen, damit eine spürbare Verbesserung des Verschleißwiderstandes eintritt.

Die Konstruktion wurde an Kolben erprobt, die im Schwerkraftkokillenguß mit einem Wasserstoffgehalt von 0,7 bis 0,8cm³/100 g hergestellt wurden. Dabei wurde im Bereich des die Ringnuten aufnehmenden, den Kühlkanal verschließenden ringförmigen Elements 4 der Gehalt an Zusatzwerkstoff, speziell an Nickel, auf 6% bis 7% eingestellt.

Claims

1. Kolben für Verbrennungsmotoren mit einem im Bereich des Ringfeldes angeordneten Kühlkanal, der durch ein ringförmiges Element aus gleichem oder ähnlichem Material wie der Kolbengrundkörper verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aus mindestens zwei Segmenten bestehende ringförmige Element in radialer Richtung mit zwei parallelen Nähten vom Ringfeldbereich aus mit dem KoIb igrundkörper durch Anwendung des Elektronenstrahlschweißverfahu verbunden ist; daß die Segmente des ringförmigen Elementes durch Anwendung des Ladungsträgerumschmelzverfahrens in einem Bereich von bis zu 0,8 der Breite des Elementes um mindestens 1,2 der Tiefe der Ringnuten verfestigt sind und die Lage der Ringnuten derart vorgesehen ist, daß die Flanken der Nuten im Bereich der plasmaumschmelzverfestigten Zone oder der Elektronenstrahlschweißnähte angeordnet sind.

2. Kolben für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der umschmelzveredelten Zone 7 ein

3- I2mal größerer Gehalt an einem oder mehreren Legierungselementen vorhanden ist als im Grundmaterial.