DE10037246C2 - Kolben für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Kolben (P-1, P-2, P-3) eines Verbrennungsmotors umfaßt einen Boden, welcher aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist. Der Boden weist eine Mulde in einer Oberseite (2) davon auf. Die Mulde dient als Verbrennungskammer. Nabenwulst- bzw. Vorsprungsabschnitte (9) stehen ausgehend vom Bodenabschnitt nach unten vor. Die Nabenwulstabschnitte (9) weisen jeweils ausgerichtete Kolbenbolzenbohrungen mit einer gemeinsamen Achse auf. Es ist ein generell ringförmiger, verstärkter Bereich (15) auf der Oberseite (2) des Bodens vorgesehen, welcher um eine Umfangskante (14) der Mulde verläuft. Die mechanische Festigkeit des verstärkten Bereichs (15) nimmt mit zunehmendem Abstand von der gemeinsamen Achse der Kolbenbolzenbohrungen allmählich ab.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Gewöhnlich werden Kolben für einen Verbrennungsmotor aus Alu­ miniumlegierungen hergestellt, da die Legierungen leichtge­ wichtig sind und die erforderliche Festigkeit aufweisen. Der Kolben weist an einer Oberseite des Bodens davon eine Vertie­ fung bzw. Mulde, welche als Verbrennungskammer dient, und an einem vorbestimmten Abschnitt davon eine Kolbenbolzenbohrung auf, durch welche hindurch ein Kolbenbolzen verläuft, um eine Pleuelstange drehgelenkig mit dem Kolben zu verbinden. Um eine Motorleistung zu erzeugen, wird der Kolben gezwungen, in einem Zylinder, welcher in einem Zylinderblock ausgebildet ist, eine Hin- und Herbewegung auszuführen.

Während des Betriebs des Motors erfährt die Oberseite des Kol­ benbodens einen erheblichen Temperaturschock. Tatsächlich hat sich gezeigt, daß während eines Motorbetriebs eine kleine, je­ doch bestimmte Verformung im Kolbenboden infolge des großen Verbrennungsdrucks und der Trägheitskraft auftritt, welche un­ vermeidbar erzeugt werden, wenn der Kolben die Hin- und Herbe­ wegung ausführt.

Der Kolbenbolzen dient zum Übertragen des auf den Kolbenboden wirkenden Verbrennungsdrucks auf die Pleuelstange, und so wird die Verformung des Kolbenbodens in hohem Maße durch die Posi­ tion des Kolbenbolzens bestimmt. Das heißt, der Verbrennungs­ druck wirkt in einer Axialrichtung des Kolbens, so daß ein be­ stimmtes Biegemoment mit einer Mitte an dem Kolbenbolzen un­ vermeidbar auf der Oberseite des Bodens erzeugt wird. Das be­ deutet, daß während eines Explosionstaktes des Kolbens Ab­ schnitte der Oberseite des Bodens, welche längs der Achse des Kolbenbolzens verlaufen, einer Zugbeanspruchung ausgesetzt sind und Abschnitte der Oberseite des Bodens, welche längs einer Achse senkrecht zu der Achse des Kolbenbolzens verlaufen, einer Druckbeanspruchung ausgesetzt sind. Hingegen sind, was den unvermeidbar auf die Oberseite des Bodens wirkenden Tempe­ raturschock anbelangt, die Abschnitte der Oberseite des Bo­ dens, welche längs der Achse senkrecht zu der Achse des Kol­ benbolzens verlaufen, infolge der Dichteverteilung des Kolbens einer erheblichen Wärmebeanspruchung ausgesetzt. Das bedeutet, daß erste Abschnitte einer Umfangskante der in der Oberseite des Bodens ausgebildeten Mulde (das heißt, Brennkammer), wel­ che längs der Achse des Kolbenbolzens angeordnet sind, einer Zugbeanspruchung ausgesetzt sind und zweite Abschnitte der Um­ fangskante, welche längs der Achse senkrecht zu der Achse des Kolbenbolzens angeordnet sind, einer derartigen erheblichen Wärmebeanspruchung ausgesetzt sind. Daher wurden bis heute verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen und tatsächlich ange­ wandt, um die ersten Abschnitte mit einer ausreichenden mecha­ nischen Festigkeit und die zweiten Abschnitte mit einer Anti- Wärmebeanspruchungs-Struktur zu versehen.

Die JP 2-113169 A zeigt eine Maßnahme für derartige Erfordernisse. Das heißt, bei der Maßnahme werden die ersten Abschnitte verfestigt bzw. gehärtet und die zweiten Abschnitte weicher gemacht.

Jedoch führte selbst die durch die Veröffentlichung vorge­ schlagene Maßnahme infolge einer Grenze, welche sich unver­ meidlich zwischen den gehärteten und enthärteten Abschnitten ausbildet, zu keinem zufriedenstellenden Ergebnis. Wie bekannt ist, ist eine derartige Grenze tendentiell einer Spannungskon­ zentration ausgesetzt, so daß die mechanische Festigkeit des Kolbens vermindert wird.

Aus der Druckschrift EP 0 171 567 B1 ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens eines Verbrennungsmotors bekannt. Dieser Kolben weist einen ersten verfestigten bzw. gehärteten Abschnitt sowie einen zweiten weicheren Abschnitt auf. Hierbei ist der Übergang zwischen den beiden Abschnitten, d. h. dem härteren und dem weicheren Abschnitt, im wesentlichen abrupt ausgestattet, so dass sich ein sehr enger Grenzbereich für den Übergang zwischen hoher und niedriger mechanischer Festigkeit ergibt.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welcher frei von den oben genannten Nachteilen ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kolbens zu schaf­ fen.

Erfindungsgemäß werden die Aufgaben durch die Merkmale der An­ sprüche 1 bzw. 9 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor vorgesehen. Der Kolben um­ faßt einen Boden, welcher aus einer Aluminiumlegierung herge­ stellt ist und eine Mulde an einer Oberseite davon aufweist, wobei die Mulde als Verbrennungskammer dient. Weiter sind Na­ benwulstabschnitte bzw. Vorsprungsabschnitte vorgesehen, wel­ che ausgehend von dem Boden nach unten vorstehen, wobei die Nabenwulstabschnitte jeweils ausgerichtete Kolbenbolzenbohrun­ gen aufweisen und die ausgerichteten Kolbenbolzenbohrungen eine gemeinsame erste Achse aufweisen. Weiter umfaßt der Kol­ ben einen generell ringförmigen, verstärkten Bereich, welcher auf der Oberseite des Bodens vorgesehen ist und um eine Um­ fangskante der Mulde verläuft, wobei die mechanische Festig­ keit des verstärkten Bereichs mit zunehmendem Abstand von der ersten Achse der Kolbenbolzenbohrungen allmählich abnimmt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbren­ nungsmotor vorgesehen. Der Kolben besteht aus einer Aluminium­ legierung und weist Kolbenbolzenbohrungen an nach unten vor­ stehenden Abschnitten davon und eine Mulde an einer Oberseite des Bodens davon auf. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: (a) Vorbereiten eines Rohkolbens, welcher keine Mulde an der Oberseite des Bodens aufweist; (b) Setzen eines Schmelzrings auf die Oberseite des Bodens, wobei der Schmelz­ ring Verstärkungsmaterialien enthält; (c) Schmelzen des Schmelzrings und der Umgebung davon aus einem Grundmaterial des Rohkolbens, um dadurch eine Legierungsschicht auf der Oberseite des Bodens zu erzeugen, wobei die Schmelzung derart erfolgt, daß die Menge der Verstärkungsmaterialien, welche in der Legierungsschicht enthalten sind, mit zunehmendem Abstand von einer ersten Achse allmählich kleiner wird und die erste Achse eine gemeinsame Achse der Kolbenbolzenbohrungen ist; und (d) mechanisches Bearbeiten einer Mulde an der Oberseite des Bodens in dem Bereich der Legierungsschicht.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der bei­ liegenden Zeichnung deutlich hervor. Es zeigt:

Fig. 1A eine Draufsicht eines Kolbens eines ersten Ausfüh­ rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1B eine Querschnittsansicht längs der Linie IB-IB von Fig. 1;

Fig. 2 eine Draufsicht des Kolbens, welche ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens des ersten Ausführungsbei­ spiels durch Anwenden eines Elektronenstrahls auf ei­ nen Schmelzring, welcher auf einer Oberseite des Bo­ dens angeordnet ist, darstellt;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie III-III von Fig. 2;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Kolbens, welche das Verfahren zur Herstellung des Kolbens des ersten Aus­ führungsbeispiels durch Anwenden eines Elektronenstrahls auf einen Schmelzring, welcher auf einer Ober­ seite des Bodens angeordnet ist, darstellt;

Fig. 5 einen Graphen, welcher Ergebnisse eines Langzeittests darstellt, welchem Kolben unterzogen wurden, die ver­ schiedene Mengen von Kupfer in den verstärkten Ab­ schnitten enthielten;

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, welche jedoch einen Fall eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie VII-VII von Fig. 6;

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, welche jedoch einen Fall eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung dar­ stellt;

Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie IX-IX von Fig. 8; und

Fig. 10 eine vergrößerte Querschnittsansicht längs der Linie X-X von Fig. 8.

In den Fig. 1 bis 5, insbesondere in den Fig. 1 und 2, ist ein Kolben P-1 dargestellt, welcher ein erstes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung ist. Der Kolben P-1 besteht aus einer Aluminiumlegierung, wie etwa nach den Standards JIS (Japanischer Industriestandard), AC8A, AC8B oder AC8C.

Wie am besten aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich, umfaßt der Kolben P-1 einen Bodenabschnitt mit einer Oberseite 2, einen Ringstegabschnitt 3 und einen Schaftabschnitt 4, welche verbunden sind, um eine zylindrische Hohleinheit, wie darge­ stellt, zu bilden.

Wie aus Fig. 1B ersichtlich, weist der Ringstegabschnitt 3 drei um diesen herum ausgebildete Kolbenringnuten 5, 6 und 7 auf. Die beiden Kolbenringnuten 5 und 6, welche sich näher an der Oberseite 2 des Bodens befinden, werden zur Aufnahme (nicht dargestellter) Druckringe verwendet, und die Kolben­ ringnut 7, welche sich näher an dem Schaftabschnitt 4 befin­ det, wird zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Ölrings verwendet.

Innerhalb des Schaftabschnitts 4 stehen ausgehend von dem Bo­ denabschnitt zwei Bolzennabenwulstabschnitte 9 nach unten vor, welche symmetrisch bezüglich einer Achse 300 des Kolbens P-1 angeordnet sind. Die Bolzennabenwulstabschnitte 9 weisen je­ weils Bolzenbohrungen 10 auf, die ausgerichtet sind und somit eine gemeinsame Achse 100 aufweisen. Des einfacheren Verständ­ nisses wegen wird diese Achse 100 im weiteren als erste Achse 100 bezeichnet.

Die erste Achse 100 dieser beiden Bolzenbohrungen 10 ist im wesentlichen senkrecht zu der Achse 300 des Kolbens P-1, wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich.

Ein hohler Kolbenbolzen 11 ist in den ausgerichteten beiden Bolzenbohrungen 10 aufgenommen und ist drehgelenkig mit einem oberen Ende einer Pleuelstange 12 verbunden. Das heißt, das obere Ende der Pleuelstange weist eine Bohrung auf, durch wel­ che hindurch der Kolbenbolzen 11 verläuft, um die Gelenkver­ bindung zwischen diesen zu erreichen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Oberseite 2 des Bo­ dens mit einer Mulde bzw. Vertiefung 13 ausgebildet, welche zusammen mit einem entsprechenden (nicht dargestellten) Zylinder eine Verbrennungskammer bildet. Wie aus Fig. 1A ersicht­ lich, weist die Mulde 13 eine kreisförmige Umfangskante 14 auf.

Wie nachfolgend genau beschrieben, ist ein vorbestimmter ova­ ler Bereich 15 der Oberseite 2 des Bodens, welcher die kreis­ förmige Umgangskante 14 umgibt, durch eine Legierungsschicht 18 verstärkt, und der ovale, verstärkte Bereich 15 ist derart ausgebildet, daß, wie aus den Fig. 1A und 1B ersichtlich, die mechanische Festigkeit davon mit zunehmendem Abstand von der ersten Achse 100 in einer Richtung senkrecht zu der ersten Achse 100 allmählich abnimmt. Genauer erfolgt eine allmähliche Abnahme der mechanischen Festigkeit des Bereichs 15 mit einer Zunahme des Abstands von einer imaginären Achse, welche paral­ lel zu der ersten Achse 100 ist und sich über die Mulde 13 er­ streckt.

Zur Herstellung des Kolbens P-1 wird ein Gußteil aus einer Aluminiumlegierung verwendet, um einen Rohkolben (P-1) herzu­ stellen. Die Herstellung des Kolbens P-1 erfolgt in der nach­ folgend beschriebenen Weise.

Zuerst wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Rohkolben (P-1) durch einen Gießvorgang hergestellt, wobei der Rohkolben (P-1) keine Mulde bzw. Vertiefung 13 an der Oberseite 2 des Bodens aufweist. Anschließend wird eine Ringnut 16 in die Oberseite 2 des Bodens gearbeitet bzw. geschnitten. Es sei erwähnt, daß die Ausbildung der Ringnut 16 vor oder nach der Ausbildung der Kolbenringnuten 5, 6 und 7 und der Bolzenbohrungen 10 erfolgen kann.

Anschließend wird, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Schmelzring 17A in die Ringnut 16 eng eingesetzt. Der Schmelzring 17A schmilzt bzw. verflüssigt sich bei starker Erwärmung und be­ steht aus metallischen Materialien mit Kupfer und faserverstärkten Aluminiumlegierungen. Die Verstärkungsfasern sind beispielsweise Siliciumcarbidwhisker, Siliciumnitridwhisker, Aluminiumoxid-Kurzfaser, Aluminiumoxid-Siliciumoxid-Kurzfaser, Pottaschetitanatwhisker, Aluminium, Aluminiumboratwhisker so­ wie eine Mischung aus diesen Fasern.

Anschließend wird durch Anwenden einer hohen Temperatur der Schmelzring 17A und dessen Umgebung des Kolbens P-1, welche sich längs des Rings 17A erstreckt, geschmolzen bzw. verflüs­ sigt. Dabei diffundieren Komponenten des Schmelzrings 17A in einen gegebenen Abschnitt der Oberseite 2 des Bodens, wodurch die Legierungsschicht 18 erzeugt wird.

Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich, erfolgt eine Anwen­ dung von Wärme durch Bestrahlen eines gegebenen ringförmigen Bereichs mit einem Elektronenstrahl 19 in einer Vakuumat­ mosphäre. Die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl 19 erfolgt während einer langsamen Drehung des Kolbens P-1 um dessen Achse 300. Da die Nut 16, welche den Schmelzring 17A aufnimmt, eine Ringform aufweist, ist die Bestrahlung mit dem Strahl wirksam und genau.

Während einer Drehung des Kolbens P-1 findet das folgende Phä­ nomen an der Oberseite 2 des Bodens des Kolbens P-1 statt.

Wenn eine Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl 19 erfolgt, so werden der bestrahlte Abschnitt des Schmelzrings 17A und des­ sen Umgebungsabschnitt des Grundmaterials des Kolbens P-1 ge­ schmolzen bzw. verflüssigt, um eine Legierungsschicht 18 aus­ zubilden. Anschließend kühlt die Legierungsschicht 18, sobald der Abschnitt des Schmelzrings 17A und dessen Umgebungsab­ schnitt des Grundmaterials des Kolbens P-1 nicht weiter mit dem Elektronenstrahl 19 bestrahlt werden, infolge der Wärmeab­ strahlungswirkung des Grundmaterials des Kolbens P-1 sofort ab. Dabei entsteht ein feine Verbindung mit der Aluminiumlegierung des Kolbens P-1 und den Komponenten des Schmelzrings 17A. Da der Elektronenstrahl 19 eine hohe Energiedichte auf­ weist, erfolgt eine wirksame Diffusion der Komponenten des Schmelzrings 17A in den Verflüssigungsabschnitt des Kolbens P- 1.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Legierungsschicht 18, wie oben erwähnt, derart ausgebildet, daß die mechanische Fe­ stigkeit derselben mit zunehmendem Abstand von der ersten Achse 100 in der Richtung senkrecht zu der ersten Achse 100 allmählich abnimmt. Dies wird durch Anwenden eines einzigarti­ gen Verfahrens zur Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl er­ reicht.

Das heißt, die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl erfolgt unter Änderung des Bestrahlungsbereichs, der Bestrahlungszeit und/oder der Energiedichte. Beispielsweise wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, wenn die Bestrahlung auf einen Bereich 18A der Oberseite 2 des Bodens angewandt wird, welcher sich in der Nähe der ersten Achse 100 befindet, der Bestrahlungsbereich derart gesteuert, daß dieser klein ist, wohingegen dann, wenn die Bestrahlung auf einen Bereich 18B angewandt wird, welcher sich fern von der ersten Achse 100 befindet, der Bestrahlungs­ bereich derart gesteuert wird, daß dieser groß ist. Während einer Drehung des Kolbens P-1 wird Strahl-Bestrahlungsbereich kontinuierlich geändert, wobei die oben erwähnten klein/groß- Bedingungen erfüllt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 2 die Bezugszeichen "a" und "b" die Breite des Bestrah­ lungsbereichs bezeichnen.

So liefert in dem Bereich 18A mit einem kleineren Bestrah­ lungsbereich das Grundmaterial des Kolbens P-1 lediglich einen kleinen Verflüssigungsbereich, und somit weist dieser Verflüs­ sigungsbereich eine höhere Konzentration der Komponenten des Schmelzrings 17A auf, wohingegen in dem Bereich 18B mit einem größeren Bestrahlungsbereich das Grundmaterial des Kolbens P-1 einen größeren Verflüssigungsbereich liefert, und somit weist dieser Verflüssigungsbereich eine niedrigere Konzentration der Komponenten des Schmelzrings 17A auf. Es sei darauf hingewie­ sen, daß die Konzentration der Komponenten des Schmelzrings 17A sich zwischen dem kleineren und dem größeren Verflüssi­ gungsbereich 18A und 18B kontinuierlich ändert. Dies bedeutet, daß der Bereich 18A der Legierungsschicht 18, welcher sich längs der ersten imaginären Achse 100 erstreckt (siehe Fig. 1A), eine größere Menge von Komponenten des Schmelzrings 17A und somit eine höhere mechanische Festigkeit aufweist, wohin­ gegen der Bereich 18B der Legierungsschicht 18, welcher sich längs der zweiten Achse 200 erstreckt, eine kleinere Menge von Komponenten des Schmelzrings 17A und somit eine niedrigere me­ chanische Festigkeit aufweist. Die zweite Achse 200 verläuft senkrecht zur ersten Achse 100 und verläuft durch die Achse 300 des Kolbens P-1.

Wie von Fachleuten auf diesem Gebiet leicht nachvollzogen wer­ den kann, ist eine hohe mechanische Festigkeit wirksam gegen eine Zugbeanspruchung, wohingegen eine verhältnismäßig nied­ rige mechanische Festigkeit wirksam gegen eine Wärmebeanspru­ chung ist.

Versuche haben ergeben, daß, wenn der Bereich 18A der Legie­ rungsschicht 5 bis 26 Gew.-%, vorzugsweise 16 Gew.-%, Kupfer enthält und der Bereich 18B weniger als 16 Gew.-%, vorzugs­ weise 7 Gew.-%, Kupfer enthält, der Kolben P-1 eine ausrei­ chende Leistung erhält.

Nachfolgend wird die Beschreibung des Verfahrens zur Herstel­ lung des Kolbens P-1 fortgesetzt. Anschließend erfolgt eine Bearbeitung der Oberseite 2 des Bodens, um eine Mulde 13 in­ nerhalb des ovalen Bereichs der Legierungsschicht 18 herzu­ stellen. Dabei wird die Mulde 13 mit dem ovalen, verstärkten Bereich 15 versehen, welcher die kreisförmige Umfangskante 14 der Mulde 13 umgibt.

So ist aus dem oben erwähnten Grund die mechanische Festigkeit der dünnen Abschnitte 15A des ovalen verstärkten Bereichs 15, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, ver­ hältnismäßig hoch, wohingegen die mechanische Festigkeit grö­ ßerer Abschnitte 15B des ovalen verstärkten Bereichs 15, wel­ che sich fern von der ersten Achse 100 befinden, verhältnismä­ ßig niedrig, und die mechanische Festigkeit von Zwischenab­ schnitten zwischen diesen ändert sich allmählich.

Bei Betrieb des Motors wirkt auf die Oberseite 2 des Bodens des Kolbens P-1 ein erheblicher Temperaturschock. Es hat sich gezeigt, daß die Oberseite 2 des Bodens infolge eines Verbren­ nungsdrucks und einer Trägheitskraft, welche unvermeidbar er­ zeugt werden, wenn der Kolben P-1 gezwungen wird, die Hin- und Herbewegung auszuführen, leicht, jedoch bestimmt verformt wird. So sind die dünnen Abschnitte 15A des ovalen verstärkten Bereichs 15 der Oberseite 2 des Bodens, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, einer bestimmten Zugbean­ spruchung ausgesetzt, und die größeren Abschnitte 15B des ova­ len verstärkten Bereichs 15 der Oberseite 2, welche sich in der Nähe der zweiten Achse 200 befinden, sind einer bestimmten Wärmebeanspruchung ausgesetzt.

Jedoch können erfindungsgemäß aufgrund der Tatsache, daß die dünnen Abschnitte 15A des ovalen verstärkten Bereichs 15 eine verhältnismäßig hohe mechanische Festigkeit, wie oben erwähnt, aufweisen, dieselben eine ausreichende Festigkeit gegen eine derartige Zugbeanspruchung aufweisen. Ferner können aufgrund der Tatsache, daß die größeren Abschnitte 15B des ovalen ver­ stärkten Bereichs 15 eine verhältnismäßig niedrige mechanische Festigkeit aufweisen, dieselben eine ausreichende Festigkeit gegen eine derartige Wärmebeanspruchung aufweisen. Ferner existiert aufgrund der Tatsache, daß die mechanische Festig­ keit des ovalen verstärkten Bereichs 15 sich durchgehend än­ dert, keine Grenze in dem Bereich 15, so daß eine unerwünschte Spannungskonzentration an einer derartigen Grenze vermieden wird.

Um eine ideale Kupferkonzentration in der Legierungsschicht 18 zu ermitteln, wurden sechs Paare von Teststücken vorbereitet, welche verschiedene Prozentanteile (Gew.-%) von Kupfer ent­ hielten, und diese wurden einem Temperaturschocktest unterzo­ gen, in welchem wiederholt "360°C-150°C" Temperaturschock erfolgten, bis Wärmerisse auftraten. Die Ergebnisse sind in dem Graphen von Fig. 5 dargestellt. Wie aus diesem Graphen er­ sichtlich, wies das Teststück, welches 16 Gew.-% Kupfer ent­ hielt, die höchste Temperatur-Ermüdungsfestigkeit auf, und es wurde festgestellt, daß die Legierungsschicht 18, welche 5 bis 26 Gew.-% Kupfer enthielt, eine ausreichende mechanische Fe­ stigkeit aufwies. Der Graph zeigt ferner, daß das Teststück, welches 7 Gew.-% Kupfer enthielt, die höchste Zykluszahl (etwa 2.400) gegen den Temperaturschock aufwies, und es wurde fest­ gestellt, daß die Legierungsschicht 18, welche weniger als 16 Gew.-% Kupfer enthielt, eine ausreichende Zykluszahl (etwa 2.000) gegen den Temperaturschock aufwies.

In den Fig. 6 und 7 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens P-2 eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegen­ den Erfindung dargestellt. Bei diesem Verfahren wird ein teil­ weise erweiterter Schmelzring 17B anstelle des Schmelzrings 17A, welcher bei dem oben erwähnten ersten Ausführungsbeispiel P-1 verwendet wird, verwendet. Wie dargestellt, weist der Schmelzring 17B einen kreisförmigen Außenumfang 17B-1 und ei­ nen ovalen Innenumfang 17B-2 auf. So umfaßt der Schmelzring 17B, wie aus Fig. 6 ersichtlich, zwei größere bzw. erweiterte Abschnitte, welche auf die erste imaginäre Achse 100 zu setzen sind, und zwei dünne Abschnitte, welche auf die zweite imaginäre Achse 200 zu setzen sind. Falls erwünscht, können an­ stelle des offenbarten Schmelzelements 17B andere Schmelzringe mit verschiedenen Formen ebenfalls verwendet werden. Einer da­ von ist ein Schmelzring, welcher einen ovalen Außenumfang und einen kreisförmigen Innenumfang aufweist. Ein anderer ist ein Schmelzring, welcher einen ovalen Außenumfang und einen ovalen Innenumfang aufweist.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist der Schmelzring 17B in eine entsprechende Nut 16 eingesetzt, die in der Oberseite 2 des Bodens ausgebildet ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, erfolgt unter Drehung des Kolbens P-2 eine Bestrahlung des Schmelzrings 17B und von dessen Umge­ bungsabschnitt der Oberseite 2 des Bodens des Kolbens P-2 mit dem Elektronenstrahl 19 derart, daß diese durchgehend eine gleichmäßige Breite "a" aufweist. So werden die Bereiche der Oberseite 2 des Bodens, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, geschmolzen bzw. verflüssigt, so daß diese eine größere Menge von Komponenten des Schmelzrings 17B ent­ halten, wohingegen die Bereiche der Oberseite 2 des Bodens, welche sich in der Nähe der zweiten Achse 200 befinden, ge­ schmolzen bzw. verflüssigt werden, so daß diese eine kleinere Menge von Komponenten des Schmelzrings 17B enthalten. Dies be­ deutet, daß die Bereiche, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, eine höhere mechanische Festigkeit aufwei­ sen, wohingegen die Bereiche, welche sich in der Nahe der zweiten Achse 200 befinden, eine niedrigere mechanische Fe­ stigkeit aufweisen, wie in dem Fall des ersten Ausführungsbei­ spiels P-1.

Anschließend wird eine Mulde für die Verbrennungskammer in die Oberseite 2 des Bodens innerhalb eines Bereichs, welcher dem ovalen Innenumfang des Schmelzrings 17B entspricht, gearbei­ tet. So weist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel P-2 der Umfangsabschnitt der Mulde im wesentlichen die gleiche ver­ stärkte Struktur wie der Kolben P-1 des ersten Ausführungsbei­ spiels auf.

In den Fig. 8 bis 10 ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes Kolbens P-3 eines dritten Ausführungsbeispiels der vorlie­ genden Erfindung dargestellt. Auch bei diesem Verfahren wird ein Schmelzring 17C mit einer einzigartigen Struktur anstelle des Schmelzrings 17A, welcher bei dem oben erwähnten ersten Ausführungsbeispiel P-1 verwendet wird, verwendet. Wie in Fig. 8 dargestellt, umfaßt der Schmelzring 17C einen ringförmigen Schmelzabschnitt 17a und zwei bogenförmige Schmelzabschnitte 17b, und die beiden bogenförmigen Schmelzabschnitte 17b sind an diametral gegenüberliegenden Innenumfangsabschnitten des ringförmigen Abschnitts 17a angeordnet. So umfaßt der Schmelz­ ring 17C, wie im Falle des oben erwähnten zweiten Ausführungs­ beispiels P-2, zwei größere Abschnitte, welche über die erste Achse 100 zu setzen sind, und zwei dünne Abschnitte, welche über die zweite Achse 200 zu setzen sind.

Wie auf den Fig. 8, 9 und 10 ersichtlich wird, ist der Schmelzring 17C in eine entsprechende Nut 16 eingesetzt, die in der Oberseite 2 des Bodens ausgebildet ist. Wie aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich, umfaßt die Nut 16 zwei dünne Ab­ schnitte 16a, welche die beiden dünnen Abschnitte des Schmelz­ rings 17C aufnehmen, und zwei größere Abschnitte 16b, welche die beiden größeren Abschnitte des Schmelzrings 17C aufnehmen.

Wie aus Fig. 8 ersichtlich, erfolgt unter Drehung des Kolbens P-3 eine Bestrahlung des Schmelzrings 17C und von dessen Umge­ bungsabschnitt der Oberseite 2 des Bodens des Kolbens P-3 mit dem Elektronenstrahl 19 derart, daß diese durchgehend eine gleichmäßige Breite "a" aufweist. So werden, ebenso wie bei dem Fall des oben erwähnten zweiten Ausführungsbeispiels P-2, die Bereiche der Oberseite des Bodens, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, geschmolzen bzw. verflüssigt, so daß diese eine größere Menge von Komponenten des Schmelz­ rings 17C enthalten, wohingegen die Bereiche der Oberseite 2 des Bodens, welche sich in der Nähe der zweiten Achse 200 be­ finden, geschmolzen bzw. verflüssigt werden, so daß diese eine kleinere Menge von Komponenten des Schmelzrings 17C enthalten. Dies bedeutet, daß die Bereiche, welche sich in der Nähe der ersten Achse 100 befinden, eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, wohingegen die Bereiche, welche sich in der Nahe der zweiten Achse 200 befinden, eine niedrigere mechanische Festigkeit aufweisen.

Anschließend wird eine Mulde für die Verbrennungskammer in die Oberseite 2 des Bodens innerhalb eines Bereichs, welcher einem Innenumfang des Schmelzrings 17C entspricht, gearbeitet. So weist auch bei diesem dritten Ausführungsbeispiel P-3 der Um­ fangsabschnitt der Mulde im wesentlichen die gleiche ver­ stärkte Struktur wie der Kolben P-1 des ersten Ausführungsbei­ spiels auf.

Obwohl bei den oben erwähnten drei Ausführungsbeispielen der Schmelzring 17A, 17B bzw. 17C in eine entsprechende Nut 16, welche in der Oberseite 2 des Bodens ausgebildet ist, einge­ setzt wird, bevor dieser einer Bestrahlung mit einem Elektro­ nenstrahl ausgesetzt wird, kann die Nut 16 entfernt werden. Das heißt, in diesem Fall wird der Schmelzring direkt auf die Oberseite 2 des Bodens gesetzt.

Anstelle von Kupfer, welches in dem Schmelzring 17A, 17B bzw. 17C enthalten ist, können Kupferlegierungen verwendet werden, welche beispielsweise Kupferlegierungen sind, die Aluminium, Silicium, Mangan, Titan, Bor, Nickel oder Beryllium enthalten.

Anstelle des oben erwähnten Elektronenstrahl kann ein Laser­ strahl, ein Plasmastrahl oder ein TIG-Bogen (TIG: Wolfram- Inertgas) verwendet werden, um den Schmelzring 17A, 17B bzw. 17C und dessen Umgebung des Kolbens P-1, P-2 bzw. P-3 zu ver­ flüssigen.

Der gesamte Inhalt der JP 11-217397 A (eingereicht am 30. Juli 1999) ist hierin durch Verweis ent­ halten.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Kol­ ben eines Verbrennungsmotors, welcher einen aus einer Alumini­ umlegierung hergestellten Boden umfaßt. Der Boden weist eine Mulde in einer Oberseite davon auf. Die Mulde dient als Ver­ brennungskammer. Nabenwulst- bzw. Vorsprungsabschnitte stehen ausgehend vom Bodenabschnitt nach unten vor. Die Nabenwulstab­ schnitte weisen jeweils ausgerichtete Kolbenbolzenbohrungen mit einer gemeinsamen Achse auf. Es ist ein generell ringför­ miger, verstärkter Bereich auf der Oberseite des Bodens vorge­ sehen, welcher um eine Umfangskante der Mulde verläuft. Die mechanische Festigkeit des verstärkten Bereichs nimmt mit zu­ nehmendem Abstand von der gemeinsamen Achse Kolbenbolzenboh­ rungen allmählich ab.

Obwohl die Erfindung oben unter Bezugnahme auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfin­ dung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Verschiedene Abwandlungen und Änderungen derartiger Ausführungsbeispiele können durch Fachleute auf diesem Gebiet im Lichte der obigen Beschreibung vorgenommen werden.

Claims (14)

1. Kolben eines Verbrennungsmotors, umfassend:
einen Boden, welcher aus einer Aluminiumlegierung herge­ stellt ist und eine Mulde an einer Oberseite (2) davon aufweist, wobei die Mulde als Verbrennungskammer dient;
Nabenwulstabschnitte (9), welche ausgehend von dem Boden nach unten vorstehen, wobei die Nabenwulstabschnitte (9) jeweils ausgerichtete Kolbenbolzenbohrungen aufweisen und die ausgerichteten Kolbenbolzenbohrungen eine gemeinsame erste Achse (100) aufweisen; und
einen generell ringförmigen, verstärkten Bereich (15), welcher auf der Oberseite (2) des Bodens vorgesehen ist und um eine Umfangskante (14) der Mulde verläuft,
dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Festigkeit des verstärkten Bereichs (15) mit zunehmendem Abstand von der ersten Achse (100) der Kolbenbolzenbohrungen allmählich abnimmt.

2. Kolben nach Anspruch 1, wobei der generell ringförmige, verstärkte Bereich (15) durch Schmelzen eines Schmelzrings (17A, 17B, 17C), welcher auf der Oberseite (2) des Bodens angeordnet ist, und eines Teils des Grundmaterials des Kolbens (P-1, P-2, P-3) hergestellt ist, wobei der Schmelzring (17A, 17B, 17C) Verstärkungsmaterialien ent­ hält.

3. Kolben nach Anspruch 2, wobei die Menge von Verstärkungs­ materialien, welche in dem ringförmigen, verstärkten Be­ reich (15) enthalten sind, mit zunehmendem Abstand von der ersten Achse (100) allmählich abnimmt.

4. Kolben nach Anspruch 3, wobei die Schmelzung des Schmelz­ rings (17A, 17B, 17C) und des Teils des Grundmaterials des Kolbens (P-1, P-2, P-3) unter Verwendung einer Wärmequelle mit einer hohen Energiedichte erfolgt.

5. Kolben nach Anspruch 4, wobei die Schmelzung durch Be­ strahlen eines gegebenen Bereichs der Oberseite (2) des Bodens mit einem Elektronenstrahl (19) durchgeführt wird und die Menge von Verstärkungsmaterialien in dem ringför­ migen, verstärkten Bereich (15) durch Ändern des Bestrah­ lungsbereichs, der Bestrahlungszeit und/oder der Energie­ dichte gesteuert wird.

6. Kolben nach Anspruch 2, wobei der Schmelzring (17A, 17B, 17C) Kupfer enthält.

7. Kolben nach Anspruch 6, wobei die beiden Abschnitte des verstärkten Bereichs (15), welche längs der ersten Achse (100) angeordnet sind, 5 bis 26 Gew.-% Kupfer enthalten und die anderen beiden Abschnitte des verstärkten Bereichs (15), welche längs einer zweiten Achse (200) angeordnet sind, weniger als 16 Gew.-% Kupfer enthalten, wobei die zweite Achse (200) senkrecht zu der ersten Achse (100) und durch eine Achse des Kolbens (P-1, P-2, P-3) verläuft.

8. Kolben nach Anspruch 7, wobei die beiden Abschnitte des verstärkten Bereichs (15), welche längs der ersten Achse (100) angeordnet sind, etwa 16 Gew.-% Kupfer enthalten und die anderen beiden Abschnitte des verstärkten Bereichs (15), welche längs der zweiten Achse (200) angeordnet sind, etwa 7 Gew.-% enthalten.

9. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens eines Verbren­ nungsmotors, wobei der Kolben (P-1, P-2, P-3) aus einer Aluminiumlegierung besteht und Kolbenbolzenbohrungen an nach unten vorstehenden Abschnitten davon und eine Mulde an einer Oberseite (2) des Bodens davon aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• a) Vorbereiten eines Rohkolbens, welcher keine Mulde an der Oberseite (2) des Bodens aufweist;
• b) Setzen eines Schmelzrings (17A, 17B, 17C) auf die Oberseite (2) des Bodens, wobei der Schmelzring (17A, 17B, 17C) Verstärkungsmaterialien enthält;
• c) Schmelzen des Schmelzrings (17A, 17B, 17C) und der Umgebung davon aus einem Grundmaterial des Rohkolbens, um dadurch eine Legierungsschicht (18) auf der Oberseite (2) des Bodens zu erzeugen, wobei die Schmelzung derart er­ folgt, daß die Menge der Verstärkungsmaterialien, welche in der Legierungsschicht (18) enthalten sind, mit zuneh­ mendem Abstand von einer ersten Achse (100) allmählich kleiner wird und die erste Achse (100) eine gemeinsame Achse der Kolbenbolzenbohrungen ist; und
• d) mechanisches Herstellen einer Mulde an der Oberseite (2) des Bodens in dem Bereich der Legierungsschicht (18).

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend zwischen den Schritten (b) und (c), einen Schritt (e) eines Drehens des Rohkolbens um dessen Achse.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt (c) unter Verwendung einer Wärmequelle mit einer hohen Energiedichte ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt (c) durch Bestrahlen eines gegebenen Bereichs der Oberseite (2) des Bodens mit einem Elektronenstrahl (19) durchgeführt wird und die Menge von Verstärkungsmaterialien in der Legie­ rungsschicht (18) durch Ändern des Bestrahlungsbereichs, der Bestrahlungszeit und/oder der Energiedichte gesteuert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schmelzring (17A, 17B, 17C) Kupfer als eines der Verstärkungsmaterialien enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt (c) derart durchgeführt wird, daß zwei Abschnitte der Legierungs­ schicht (18), welche längs der ersten Achse (100) angeord­ net sind, 5 bis 26 Gew.-% Kupfer enthalten und weitere zwei Abschnitte der Legierungsschicht (18), welche längs einer zweiten Achse (200) angeordnet sind, weniger als 16 Gew.-% Kupfer enthalten, wobei die zweite Achse (200) senkrecht zu der ersten Achse (100) und durch eine Achse des Rohkolbens verläuft.