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Die
Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für einen Verbrennungsmotor mit
einem eingegossenen, zuvor alfinierten Ringträgerbauteil und mit einem hinter
dem Ringfeld angeordneten und ebenfalls eingegossenen in Umfangsrichtung
verlaufenden rohrförmigen
Kühlkanalbauteil,
wobei das Kühlkanalbauteil
von dem Ringträgerbauteil
an wenigstens zwei Anbindungsstellen beim Eingießen in der Gießform gehalten
ist.
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Bei
gattungsgemäßen Leichtmetallkolben war
man bestrebt, das Kühlkanalbauteil
möglichst unmittelbar
an das Ringträgerbauteil
angrenzend anzuordnen, um eine effektive Kühlung des Ringträgerbauteils
zu erreichen. Es gibt auch Kolben, bei denen das Kühlkanalbauteil
die Gestalt eines im Querschnitt C-förmigen nach radial außen offenen
Torus aufweist, wobei das Kühlkanalbauteil
mit seinen umlaufenden freien Enden direkt mit dem Ringträgerbauteil
verbunden ist, so dass, das Ringträgerbauteil mit seiner radial
inneren Seite den Kühlkanal
unmittelbar begrenzt, wodurch eine optimale Kühlung des Ringträgerbauteils
erreicht wird.
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Aus
dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 76 17 370 U1 sind derartige Anordnungen
der gattungsgemäßen Art
bekannt. Bei dem Ausführungsbeispiel
nach den
1 und
2 wird das Kühlkanalbauteil
mit dem Ringträgerbauteil
durch Lötung
oder Schweißung,
insbesondere an einzelnen Stellen, verbunden. Hierdurch wird das
Kühlkanalbauteil durch
das Ringträgerbauteil
in der Gießform
gehalten, ohne dass weitere Stütz-
oder Haltemittel vorgesehen sind. Weitere Hinweise lassen sich dieser Druckschxift
nicht entnehmen.
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DE 37 21 021 C3 offenbart
einen gattungsfremden Kolben, der kein Ringträgerbauteil aufweist. Ein Kühlkanalbauteil
ist über
ein kranzförmiges
Halteelement mit radialen Befestigungslaschen, die mit dem Kühlkanalbauteil
verschweißt
sind, gehalten. Eine weitere Ausführungsform zeigt die Herstellung des
Kühlkanals
mittels eines Salzkerns.
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Die
nicht vorveröffentlichte
DE 100 36 981 A1 offenbart
einen gattungsgemäßen Kolben,
bei dem Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
einstückig über angeschweißte Verbindungsstege
verbunden sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optimale
Anbindung des Ringträgerbauteils,
aber auch des Kühlkanalbauteils
an das Leichtmetall des Kolbens zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Kolben mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Es
wurde mit der Erfindung erkannt, dass es sich besonders beim Einsatz
von alfinierten Ringträgerbauteilen
als sehr schwierig herausstellt, die vorhandene Oxidschicht des
alfinierten Ringträgerbauteils
im flüssigen
Leichtmetall der Gusslegierung auszuschwemmen bzw. auszuspülen, was
aber eine Voraussetzung für
eine metallurgisch einwandfreie Anbindung des Ringträgerbauteils,
aber auch des Kühlkanalbauteils
an den Umguss ist. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass hierfür ein Abstand
von wenigstens 0,7, insbesondere von wenigstens 0,8 mm, erforderlich
ist, um einen möglichst
widerstandslosen Durchtrittsspalt für die Leichtmetallschmelze bei
steigender Füllung
der Gussform zu erreichen. Als Obergrenze des Abstandes werden höchstens 10%,
vorzugsweise höchstens
5% des Kolbendurchmessers angesehen. Wenn nämlich das Kühlkanalbauteil unmittelbar
an das Ringträgerbauteil
angrenzt oder nur ein sehr geringfügiger Abstand vorhanden ist,
so verfangen sich dort abgelöste,
freigespülte Oxidhäute, die
auch von der Schmelzenfront der Gusslegierung herrühren können, und
verhindern in diesem Bereich eine gute metallurgische Anbindung der
Eingussteile an den Umguss. Erst bei einem Abstand von wenigstens
0,7 mm, der sich zumindest abschnittsweise und in der Summe über wenigstens 300°, vorzugsweise über wenigstens
310°, und
ganz besonders bevorzugterweise über
wenigstens 320° oder über wenigstens
330° erstreckt,
kann eine im Wesentlichen ungestörte
Umströmung
der Eingussteile durch die Leichtmetallschmelze erfolgen und damit
eine metallurgische Anbindung der Eingussteile erreicht werden.
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Es
liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das Kühlkanalbauteil von dem Ringträgerbauteil
an wenigstens zwei oder wenigstens drei Stellen in der Gießform gehalten
ist, um das Kühlkanalbauteil
nicht mittels weiterer Halteteile in der Gießform fixieren zu müssen, was
einen zusätzlichen
Aufwand darstellen würde.
Solchenfalls erweist es sich im Lichte der Erfindung als besonders
vorteilhaft, wenn diese wenigstens zwei oder wenigstens drei Stellen
in Umfangsrichtung eine sehr geringe Ausdehnung haben, um den Durchtritt
der Schmelze zwischen Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
nicht zu behindern. Je nach Kolbengröße und Anzahl der Verbindungsstellen
sollte deren gesamte Umfangserstreckung in der Summe 60° nicht übersteigen.
Sie sollte vorzugsweise zwischen 5° und 30°, insbesondere zwischen 5° und 20° und bevorzugtermaßen zwischen
5° und 10° in Umfangserstreckung
liegen. Die Breite einer jeweiligen Anbindungsstelle sollte einige
wenige Millimeter, höchstens
5 mm, nicht übersteigen.
Im Zweifel erweist es sich als günstiger,
eine oder zwei Anbindungsstellen mehr vorzusehen und die Erstreckung der
Anbindungsstellen in Umfangsrichtung dafür geringer zu wählen.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den beigefügten
Patentansprüchen
und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Kolben im Verbindungsbereich
zwischen Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil;
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2 eine
perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
nach einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens
nach 1;
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3 eine
perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
nach einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens;
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4 eine
teilweise Schnittansicht der Anordnung nach 3;
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5 eine
perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
nach einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens;
und
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6 eine
perspektivische teilweise Ansicht der Anordnung von Kühlkanalbauteil
und Ringträgerbauteil
nach einer vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kolbens.
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1 zeigt
eine teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens
durch eine die Kolbenlängsachse 1 einschließende Ebene.
Es handelt sich um einen Leichtmetallkolben mit einem eingegossenen
zuvor alfinierten Ringträgerbauteil 2 und einem
Kühlkanalbauteil 4,
welche konzentrisch zueinander verlaufend in einer Ebene senkrecht
zur Kolbenlängsachse 1 angeordnet
sind. Der Schnitt verläuft
durch eine Anbindungsstelle 6 zwischen Kühlkanalbauteil 4 und
Ringträgerbauteil 2.
An dieser Anbindungsstelle 6 ist das Kühlkanalbauteil über eine
noch näher
zu beschreibende Anformung 8 an das Kühlkanalbauteil 4 in
Form eines auf das rohrförmige
Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen,
ringförmigen
Distanzelements 10 gebildet. Das Ringträgerbauteil 2 ist an
seiner inneren Seite 12 mit dem Distanzelement 10 durch
Schweißung
oder Lötung
verbunden. Diese Verbindung der Bauteile wird vor dem Einlegen der
Bauteile in die Gießform
hergestellt, so dass der Bauteilverbund nur über eines der Bauteile in der
Gießform
gehalten zu werden braucht, was die Herstellung des Kolbens erheblich
vereinfacht.
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Die
Erstreckung der Anbindungsstelle 6 in Umfangsrichtung,
also senkrecht zur Zeichnungsebene der 1, soll
so gering wie möglich
sein; sie soll in Abhängigkeit
vom Kolbendurchmesser einige weniger Millimeter nicht überschreiten;
bei verhältnismäßig großen Kolben
könnte
eine Umfangserstreckung von höchstens
5 mm eine obere Grenze darstellen. Vorzugsweise ist das Kühlkanalbauteil 4 über drei
solcher Anbindungsstellen 6 mit dem Ringträgerbauteil 2 verbunden.
Im Zweifel erweist es sich als günstiger,
eine oder zwei Anbindungsstellen mehr vorzusehen und die Erstreckung
der Anbindungsstellen in Umfangsrichtung dafür geringer zu wählen.
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Zwischen
den Anbindungsstellen 6 ist nämlich ein radialer Abstand
zwischen dem Ringträgerbauteil 2 und
dem Kühlkanalbauteil 4 vorgesehen, der
anhand der 2 bis 6 dargestellt
und anhand dieser Figuren nachfolgend beschrieben und erörtert werden
soll.
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Aus 2 ist
dieser Abstand x in radialer Richtung zwischen einer radial inneren
Seite 12 des Ringträgerbauteils 2 und
der radial äußeren Seite 13 des
rohrförmigen
Kühlkanalbauteils 4 im
Bereich zwischen den Anbindungsstellen 6 dargestellt. Dieser Abstand
x beträgt
wenigstens 0,7 mm, vorzugsweise wenigstens 0,8 mm, und soll einen
möglichst
ungehinderten Durchtritt der Leichtmetallschmelze bei steigender
Füllung
der Gießform
ermöglichen.
Dies ist deshalb besonders wesentlich, da zum Einen an der Schmelzenfront
Oxidhäute
vorhanden sein können
und zum Anderen beim Umspülen
des alfinierten Ringträgerbauteils 2 und
auch des Kühlkanalbauteils 4 durch
die Schmelze ebenfalls Oxide von der Öberfläche abgelöst werden, was für die Ausbildung
einer metallurgischen Bindungszone zwischen Eingussteilen und Umguss
auch erwünscht
ist. Diese Öxide, Öxidhäute und
weitere Bestandteile der Schmelze, die sich gießtechnisch negativ auswirken,
sollten nicht in dem Bereich zwischen Ringträgerbauteil und Kühlkanalbauteil
hängenbleiben
und damit eine optimale Anbindung an den Umguss behindern. Deshalb ist
die Vorsehung eines radialen Abstandes von wenigstens 0,7 mm und
zwar in Umfangsrichtung über vorzugsweise
330 bis 355°,
insbesondere 330 bis 350°,
sehr wichtig. Bei dieser Bemessung des Abstands wurde erkannt, dass
das vorstehend geschilderte Problem nicht auftritt. Als Öbergrenze
des Abstandes werden höchstens
10%, vorzugsweise höchstens
5% des Kolbendurchmessers angesehen. Es wird darauf hingewiesen,
dass eine optimale Kühlung
stets dann erreicht werden kann, wenn das Kühlkanalbauteil so nahe wie
möglich
an dem Ringträgerbauteil
angeordnet wird. Deshalb erweist es sich im Hinblick auf eine optimale
Kühlwirkung
als vorteilhaft, wenn der Abstand möglichst nahe an dem angegebenen
Mindestabstand von 0,7 mm, oder von wenigstens 0,8 mm, liegt, um
eine effektive Kühlung des
Ringträgerbauteils
und des ihn umgebenden Bereichs zu gewährleisten, aber dennoch gießtechnisch günstige Bedingungen
herzustellen, um eine metallurgisch einwandfreie Anbindung der Eingussteile
an den Umguss zu erreichen. Aus 2 ist ferner
eine perspektivische Darstellung eines auf das rohrförmige Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen
ringförmigen Distanzelements 10 ersichtlich,
dessen Öberfläche in der
Schnittansicht gekrümmt
ausgebildet ist.
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3 und 4 zeigen
zwei Ansichten einer weiteren Ausführungsform mit einem ebenfalls kreisringförmigen und
auf ein ebenfalls rohrförmiges Kühlkanalbauteil 4 aufgeschobenen
oder ausgehend von einem Streifen um dieses herumgelegten Distanzelements 14,
welches hülsenförmig mit
zylindrischer Wandung ausgebildet ist. Die Erstreckung des Distanzelements 14 in
Umfangsrichtung in den 3 und 4 ist nicht maßstabsgetreu.
Aus 4 erkennt man, dass das rohrförmige Kühlkanalbauteil auf Kreisform
gebogen und seine Enden auf Stoß aneinander
anliegen. Eine Trennfuge 18 wird von dem hülsenförmigen Distanzelement 14 umgeben.
Auch bei dieser Ausführungsform
ist ein radialer Mindestabstand x gegeben.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform, wonach
das Kühlkanalbauteil 4 eine
radiale Anformung 8 in Form einer Ausstülpung 20 des Kühlkanalbauteils 4 aufweist. Über diese
radiale Ausstülpung 20,
die in Form einer sickenförmigen
Erhebung, die in einer die Kolbenlängsachse einschließenden Ebene verläuft, ausgebildet
ist, liegt das Kühlkanalbauteil 4 an
einer Anbindungsstelle 6 gegen die radiale Innenseite 12 des
Ringträgerbauteils 2 an
und kann dort im Klemmsitz oder durch Lötung oder Schweißung festgelegt
sein, so dass das Kühlkanalbauteil 4 über das Ringträgerbauteil 2 in
der Gießform
gehalten werden kann.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform, wonach
ein torusförmiges
Distanzelement 22 mit kreisförmigen Torusquerschnitt über das
Kühlkanalbauteil 4 gestülpt ist
und eine Anbindungsstelle 6 an das Ringträgerbauteil 2 bildet.
Die im Zusammenhang mit den vorstehend beschriebenen Figuren geltende
Forderung nach einem Mindestabstand x von wenigstens 0,7 mm, vorzugsweise
von wenigstens 0,8 mm, gelten auch hier.
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Anhand
der Darstellung von 6 soll noch für alle Ausführungsbeispiele
die Umfangsrichtung 24 zeichnerisch angedeutet sein. Um
einen ungehinderten und an jeder Stelle effektiven Schmelzendurchtritt
zwischen Ringträgerbauteil 2 und
Kühlkanalbauteil 4 zu
ermöglichen,
sollte der Abstand x überall
dort gegeben sein, wo keine Anfügungsstelle 6 notwendig
ist, und seine Erstreckung in Umfangsrichtung 24 sollte
in der Summe möglichst
nahe an 360° (unter
Abzug der Umfangserstreckung der Anbindungsstellen 6) angenähert sein.
In der Praxis erweist sich ein Bereich von 330 bis 355°, insbesondere
von 300 bis 350° und
vorzugsweise von 340 bis 350°,
als vorteilhaft.