DE102005047908A1

DE102005047908A1 - Internal combustion engine`s piston manufacturing method, involves providing fibers in reinforced area, where fibers have preferential direction that is selected such that preferential direction corresponds to direction of high stress

Info

Publication number: DE102005047908A1
Application number: DE200510047908
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Reichstein; Lothar Hofmann
Original assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Nuernberg GmbH
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-12

Abstract

The method involves providing fibers in a reinforced area (2), where the fibers have a preferential direction. The preferential direction is selected in such a manner that the preferential direction corresponds to the direction of high stress. The area has a trough edge (16) and the fibers are adjusted tangential to the trough edge and are formed by mechanical plastic deformation e.g. by extraction, where the fibers are made of steel. The fibers are sintered according to the adjustment. An independent claim is also included for a piston for an internal combustion engine.

Description

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor mit einem faserverstärkten Bereich, sowie einen Kolben mit einem faserverstärkten Bereich mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11.The The invention relates to a method for producing a piston for a Internal combustion engine with a fiber reinforced area, as well as a Piston with a fiber-reinforced Area with the features of claims 1 and 11.

Es ist bekannt, dass die Lebensdauer eines Kolbens durch Einbringen hochfester Fasern verlängert werden kann. So ist es beispielsweise aus der EP 1 132 490 bekannt, den Muldenrand eines Kolbens durch Fasern zu verstärken. Die Fasern werden dabei durch Schmelzextraktion aus einer Legierung geformt, die größtenteils aus Eisen (Fe) und Chrom (Cr) besteht und Aluminium (Al) und/oder Silizium (Si) enthält. Die durch Schmelzextraktion geformten Fasern weisen eine uneinheitliche Außenfläche auf. Schwankungen in der Größe der Verstärkungsfasern führen zu einer ungleichmäßigen Verteilung. Die Fasern werden beispielsweise durch Infiltration in den Muldenrand eingebracht. Die Fasern weisen im verstärkten Bereich eine zufällige, regellose Orientierung auf .It is known that the life of a piston can be extended by introducing high-strength fibers. So it is for example from the EP 1 132 490 known to reinforce the well edge of a piston by fibers. The fibers are thereby formed by melt extraction from an alloy which consists largely of iron (Fe) and chromium (Cr) and aluminum (Al) and / or silicon (Si). The melt-extracted fibers have a non-uniform outer surface. Fluctuations in the size of the reinforcing fibers result in uneven distribution. The fibers are introduced, for example by infiltration into the trough edge. The fibers have a random, random orientation in the reinforced area.

Es ist weiter beispielsweise aus DE 36 10 856 bekannt, verstärkte Bereiche mit anorganischen, keramischen Fasern vorzusehen. Der verstärkte Bereich kann dabei Teilbereiche aufweisen, die sich hinsichtlich der Faserorientierung unterscheidenden.It's still off, for example DE 36 10 856 known to provide reinforced areas with inorganic ceramic fibers. The reinforced area may have subregions that differ in terms of fiber orientation.

Es ist weiter aus der DE 32 41 141 A1 bekannt, faserbündelverstärkte Pleuelstangen herzustellen. Die Positionierung der Faserbündel erfolgt dabei derart, dass die Flächenträgheitsmomente in eine Querrichtung der Pleuelstange bestimmte Eigenschaften aufweisen.It is further from the DE 32 41 141 A1 Known to produce fiber bundle-reinforced connecting rods. The positioning of the fiber bundles takes place in such a way that the area moments of inertia have certain properties in a transverse direction of the connecting rod.

Darstellung der Erfindungpresentation the invention

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens sowie einen Kolben zu schaffen, wobei der Kolben mindestens einen faserverstärkten Bereich mit einer verbesserten Festigkeit aufweist.It The object of the present invention is a process for the preparation to provide a piston and a piston, wherein the piston at least a fiber reinforced Having area with improved strength.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 11.These Task is solved through the objects the claims 1 and 11.

Zur Herstellung eines Kolbens mit einem faserverstärkten Bereich, der eine verbesserte Festigkeit aufweist, wird den Fasern innerhalb des Bereichs eine Vorzugsrichtung gegeben, wobei die Vorzugsrichtung derart gewählt wird, dass sie im Wesentlichen der Richtung der höchsten Spannungen entspricht. Dadurch tragen die Fasern bestmöglich zur Festigkeit des Kolbens bei.to Production of a piston with a fiber reinforced area, which improved Has strength, the fibers within the range a Given preferred direction, the preferred direction is chosen such that it essentially corresponds to the direction of the highest voltages. As a result, the fibers carry the best possible to the strength of the piston.

In einer Ausführungsform umfasst der faserverstärkte Bereich mindestens den Muldenrand, wobei die Fasern tangential zum Muldenrand ausgerichtet werden. Die Hauptspannungsrichtung für eine Belastung des Kolbens am Kolbenboden liegt tangential zu dem Muldenrand. Als Muldenrand wird dabei der Übergang zwischen Kolbenboden und Brennraummulde bezeichnet. Die Fasern tragen somit bei einer Ausrichtung tangential zum Muldenrand zu einer verbesserten Festigkeit im Muldenrand des Kolbens bei.In an embodiment includes the fiber reinforced Area at least the trough edge, wherein the fibers tangential to the Trough edge to be aligned. The main stress direction for a load the piston on the piston head is tangent to the trough edge. When Trough edge becomes the transition between piston crown and combustion bowl called. Wear the fibers thus in an orientation tangential to the trough edge to an improved Firmness in the trough edge of the piston at.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern durch mechanisches Umformen, insbesondere durch Ziehen geformt. Dadurch lassen sich besonders gleichmäßige Fasern herstellen.In a further embodiment be the fibers by mechanical forming, in particular by Pull shaped. This allows particularly uniform fibers produce.

Derartige Fasern sind für eine Ausrichtung besonders geeignet. Alternativ ist es jedoch auch möglich, Fasern durch Schmelzextraktion zu formen. Mehrere Fasern lassen sich beispielsweise durch Bündelziehen herstellen.such Fibers are for one orientation particularly suitable. Alternatively, however, it is also possible to use fibers by melt extraction. Several fibers can be, for example by bundle pulling produce.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern aus Stahl mit einer hohen Zunderbeständigkeit geformt. Derartige Stahlfasern weisen besonders geeignete Festigkeitsmerkmale auf. Daneben ist es jedoch auch denkbar, Fasern aus Keramik und/oder anderen anorganischen Materialien herzustellen.In a further embodiment the fibers are made of steel with a high resistance to scaling shaped. Such steel fibers have particularly suitable strength characteristics on. In addition, it is also conceivable fibers of ceramic and / or other inorganic materials.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern als Langfasern geformt. Das Verhältnis von Länge zu Breite beträgt beispielsweise 80:1. Derartige Langfasern sind besonders geeignet, um den Fasern eine bestimmte Vorzugsrichtung zu geben. Die Länge der Fasern ist prozessabhängig. Kurze Fasern sind im Regelfall einfacher herzustellen. Es sind daher auch Ausbildungsformen mit kurzen Fasern denkbar.In a further embodiment the fibers are shaped as long fibers. The ratio of Length too Width is for example 80: 1. Such long fibers are particularly suitable to give the fibers a certain preferred direction. The length of the Fibers is process dependent. Short fibers are usually easier to produce. It is therefore also forms of training with short fibers conceivable.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern zu Ringen gewickelt. Die Ringe dienen beispielsweise als Preform für eine anschließende Infiltration. Je nach der Lage des Bereichs für eine Faserverstärkung sind auch andere geometrische Formen denkbar.In a further embodiment The fibers are wound into rings. The rings are for example as a preform for a subsequent infiltration. Depending on the location of the area for a fiber reinforcement Other geometric shapes are conceivable.

In einer weiteren Ausführungsform werden die Fasern nach einem Ausrichten und/oder einem Formen gesintert.In a further embodiment The fibers are sintered after alignment and / or molding.

In einer weiteren Ausführungsform wird der Kolben mindestens teilweise aus einer Leichtmetall-Legierung über einem Leichtmetall mit einem faserverstärkten Bereich geformt. Dabei lassen sich die günstigen Materialeigenschaften einer Leichtmetall-Legierung oder eines Leichtmetalls mit den Materialeigenschaften der Faserverstärkung verbinden.In another embodiment, the piston is at least partially formed of a light metal alloy over a light metal having a fiber reinforced region. This allows the favorable material properties of a Leichtme tall alloy or a light metal with the material properties of fiber reinforcement connect.

In einer weiteren Ausführungsform wird der faserverstärkte Bereich des Kolbens durch Infiltration hergestellt. Die Fasern werden hierfür beispielsweise zu einer Preform geformt und durch eine Schmelze, insbesondere aus einer Leichtmetall-Legierung, umgossen. Durch Infiltration lassen sich beliebige Bereiche eines Kolbens während eines Gussvorgangs verstärken. Die Fasern werden gewissermaßen mit Schmelze infiltriert. Die Infiltration erfolgt beispielsweise unter Niederdruck.In a further embodiment becomes the fiber reinforced Area of the piston produced by infiltration. The fibers become therefor for example, formed into a preform and by a melt, in particular made of a light metal alloy, cast around. By infiltration can be any areas of a Piston during reinforce a casting process. The fibers become sort of infiltrated with melt. The infiltration takes place, for example under low pressure.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Preform aus Fasern geformt und die Preform in einer Gießform für den Kolben im Bereich des Muldenrands positioniert. Dabei kann durch Infiltration der Preform gezielt eine Verstärkung des Muldenrands in einer Hauptspannungsrichtung erfolgen.In a further embodiment For example, a preform is formed of fibers and the preform is formed in a mold for the piston positioned in the area of the trough edge. It can be done by infiltration the preform targeted reinforcement of the trough edge in a principal direction of tension.

Die Erfindung betrifft weiter einen Kolben mit einem faserverstärkten Bereich, wobei die Fasern innerhalb des Bereichs eine Vorzugsrichtung aufweisen und die Vorzugsrichtung der Richtung der höchsten Spannungen entspricht.The Invention further relates to a piston having a fiber-reinforced region, wherein the fibers have a preferential direction within the region and the preferred direction corresponds to the direction of the highest voltages.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. In den Figuren werden für gleiche Bauteile einheitliche Bezugszeichen verwendet. Die Figuren zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment described. In the figures, the same reference numerals for the same components used. The figures show:

1: eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Kolbenrand bei einer Schnittrichtung senkrecht zum Kolbenboden; 1 a schematic sectional view of a piston with reinforced piston edge in a cutting direction perpendicular to the piston crown;

2: eine schematische Schnittdarstellung eines Kolbens mit verstärktem Muldenrand bei einer Schnittrichtung parallel zum Kolbenboden; 2 a schematic sectional view of a piston with reinforced bowl edge in a cutting direction parallel to the piston head;

3: eine vergrößerte Darstellung des faserverstärkten Bereichs bei einem Schnitt gemäß 1; und 3 : An enlarged view of the fiber reinforced area in a section according to 1 ; and

4: eine vergrößerte Darstellung des verstärkten Bereichs bei einem Schnitt gemäß 2. 4 : An enlarged view of the reinforced area in a section according to 2 ,

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kolben 1 mit einer Schnittrichtung senkrecht zu einem Kolbenboden 12. Der Kolben 1 ist mit einer Brennraummulde 14 ausgebildet. Der Übergang zwischen Kolbenboden 12 und Brennraummulde 14 wird als Muldenrand 16 bezeichnet. Der Muldenrand 16 eines Kolbens, insbesondere eines Dieselkolbens, ist im Betrieb höchsten thermischen und mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Vorzugsweise ist daher ein erfindungsgemäß verstärkter Bereich 2 am Muldenrand 16 vorgesehen. 1 schematically shows a section through a piston 1 with a cutting direction perpendicular to a piston crown 12 , The piston 1 is with a combustion bowl 14 educated. The transition between piston crown 12 and combustion bowl 14 becomes a trough edge 16 designated. The trough edge 16 a piston, in particular a diesel piston, is subjected to the highest thermal and mechanical stresses during operation. Preferably, therefore, a reinforced according to the invention range 2 at the edge of the trough 16 intended.

2 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Kolben 1 gemäß 1 parallel zum Kolbenboden 12. 2 schematically shows a section through the piston 1 according to 1 parallel to the piston crown 12 ,

Der faserverstärkte Bereich 2 am Muldenrand 16 weist Fasern auf, die tangential zum dem in 1 und 2 dargestellten Muldenrand 16 verlaufen. Die Fasern sind weiter zueinander parallel ausgerichtet. Die einzelnen, tangential zum Muldenrand 16 verlaufenden Fasern bilden parallele Ringe um den Muldenrand. Diese Ringe sind in einer Hauptspannungsrichtung des Kolbens 1 ausgerichtet und erhöhen auf besonders günstige Weise die Festigkeit des Kolbens.The fiber-reinforced area 2 at the edge of the bowl 16 has fibers that are tangent to the in 1 and 2 illustrated trough edge 16 run. The fibers are further aligned parallel to each other. The individual, tangent to the trough edge 16 running fibers form parallel rings around the trough edge. These rings are in a principal direction of tension of the piston 1 aligned and increase in a particularly favorable manner, the strength of the piston.

3 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Teilbereichs A gemäß 1. Die tangential zum Muldenrand verlaufenden, parallelen Fasern 22 werden dabei senkrecht geschnitten. 3 schematically shows an enlargement of the portion A according to 1 , The tangential to the trough edge extending, parallel fibers 22 are cut vertically.

4 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Teilbereichs B gemäß 2. Wie in 4 ersichtlich, sind die Fasern 22 als Ringe parallel zu dem in 1 und 2 dargestellten Muldenrand 16 ausgerichtet. 4 schematically shows an enlargement of the portion B according to 2 , As in 4 As can be seen, the fibers are 22 as rings parallel to the in 1 and 2 illustrated trough edge 16 aligned.

Die Fasern 22 werden beispielsweise durch Bündelziehen als Langfasern hergestellt. Die Langfasern werden anschließend zu Ringen gewickelt und einer Sinterbehandlung unterzogen. Dadurch wird eine sogenannte Preform aus den Langfaser-Ringen erhalten. Diese Preform wird beispielsweise in ein Gießwerkzeug eingelegt und mit einer Schmelze, beispielsweise aus einer Leichtmetall-Legierung, infiltriert.The fibers 22 are produced, for example, by bundle drawing as long fibers. The long fibers are then wound into rings and subjected to a sintering treatment. As a result, a so-called preform is obtained from the long fiber rings. This preform is placed for example in a casting mold and infiltrated with a melt, for example, from a light metal alloy.

Claims

Method for producing a piston for an internal combustion engine with a fiber-reinforced region ( 2 ), whereby fibers ( 22 ) within the range ( 2 ) is given a preferred direction, characterized in that the preferred direction is chosen such that it substantially corresponds to the direction of the highest voltages.

Method according to claim 1, characterized in that the area ( 2 ) at least partially a trough edge ( 16 ) and the fibers ( 22 ) substantially tangential to the trough edge ( 16 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the fibers ( 22 ) by mechanical forming, in particular by drawing, ge be formed.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the fibers ( 22 ) are formed from steel with a high resistance to scaling.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fibers ( 22 ) are formed as long fibers.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fibers ( 22 ) are wound into rings.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fibers ( 22 ) are sintered after alignment and / or molding.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the piston ( 1 ) is at least partially formed of a light metal alloy and / or a light metal.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the fiber-reinforced region ( 2 ) of the piston ( 1 ) is prepared by infiltration.

A method according to claim 9, characterized in that a preform of the fibers ( 22 ) and the preform in a mold for the piston ( 1 ) in the region of the trough edge ( 16 ) is positioned.

Piston for an internal combustion engine with a fiber reinforced area ( 2 ), whereby fibers ( 22 ) within the range ( 2 ) have a preferred direction, characterized in that the preferred direction corresponds to the direction of the highest voltages.

Piston according to claim 11, characterized in that the area ( 2 ) at least one trough edge ( 16 ) of the piston ( 1 ) and the fibers ( 22 ) tangential to the trough edge ( 16 ) are aligned.

Piston according to claim 11 or 12, characterized in that the fibers ( 22 ) have small variations in diameter.

Piston according to claim 11, 12 or 13, characterized in that the fibers ( 22 ) are made of steel with a high resistance to scaling.

Piston according to one of claims 11 to 14, characterized in that the fibers ( 22 ) Are long fibers.

Method according to one of claims 11 to 15, characterized in that the fibers ( 22 ) are wound into rings.

Piston according to one of claims 11 to 16, characterized in that the piston ( 1 ) is at least partially made of a light metal alloy and / or a light metal.