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