DE1059712B - Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen mit elastisch verformbarem Ringtraeger aus Schwermetall - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, der mit einem elastisch verformbaren Ringträger aus Schwermetall ausgerüstet ist.

Insbesondere bei Dieselmotoren werden Laufzeiten verlangt, die an der unteren Grenze bei 150 000' Laufkilometern liegen. Die im Kolbenbau allgemein verwendeten Leichtmetallegierungen besitzen unglücklicherweise nur vergleichsweise bescheidene Warmfestigkeiten und Warmhärten, wodurch in den Teilen des Kolbens, die der Erwärmung besonders ausgesetzt sind, das ist der Kolbenkopf mit dem Ringfeld, verhältnismäßig hoher Verschleiß auftritt.

Praktisch ist die Laufzeit eines modernen Dieselkolbens fast allein durch den Verschleiß in der oberen Ringnut begrenzt. Als Folge dieses Verschleißes der Ringnut tritt eine Nutverbreiterung auf, wodurch der Ring zu große axiale Bewegungsmöglichkeiten erhält, die sich in Durchpumpen von öl, also hohem Ölverbrauch, in Eindringen von Verbrennungsgasen hinter den Ring, also unzulässiger Aufheizung des Ringes, und zuletzt in zu hohen Schlagbeansprucbungen mit nachfolgendem Bruch des Ringes auswirkt.

Seit Kolben aus Leichtmetallen für Verbrennungskraftmaschinen gebaut werden, ist versucht worden, diesem Mangel dadurch abzuhelfen, daß die oberen Ringnuten mit Werkstoffen hoher Warmhärte und Festigkeit ausgekleidet werden. Hierdurch kommen aus Stahl oder allgemein Eisenwerkstoffen bestehende massive durchlaufende Ringe für den Ringträger in Frage. Wenn bisher eine solche Auskleidung der oberen Ringnut nur in einem bescheidenen Anteil der Kolbenproduktion vorgenommen worden ist, so geschah dies nur deshalb, weil die bekannten Ausführungen erhebliche technische Mängel aufweisen und darüber hinaus wirtschaftlich so teuer sind, daß der zu genauer Kalkulation gezwungene Motorenbau darauf nicht zurückgreifen konnte.

Die Verwendung von Ringträgern aus Stahl oder Eisen hat vor allem auch noch den Nachteil, daß, abgesehen von dem hohe Massenkräfte verursachenden Gewicht, in der Trennfläche durch die verschiedenen Wärmedehnungen des Leichtmetall- und Schwermetallwerkstoffes hohe Spannungen auftreten, die zu Lockerungen des Ringträgers im Leichtmetallgrundwerkstoff und häufig auch zum Bruch des ersteren führen. Derartige Ringträger können daher technisch nicht befriedigen, und ihre Benutzung ist deshalb auch stets umstritten geblieben.

Es ist auch nicht mehr neu, Ringträger aus hochnickelhaltigen Stählen herzustellen, die in bezug auf Wärmedehnung derjenigen der Leichtmetallegierungen angepaßt sind. Diese Lösung besitzt immer noch den Nachteil hohen Gewichtes und scheitert an dem

für Brennkraftmaschinen

mit elastisch verformbarem Ringträger

aus Schwermetall

Anmelder:

Karl Schmidt G.m.b.H.,
Neckarsulm (Württ), Fabrikstr. 10

Dr.-Ing. Curt Bücken, Heilbronn/Neckar,

und Dr.-Ing. Max Kuhm, Neckarsulm (Württ),

sind als Erfinder genannt worden

Preis dieser hochlegierten Werkstoffe, wodurch der Kolbenpreis in einem Umfange erhöht wird, den der Motorenbau nicht mehr anzulegen bereit ist.

Weiterhin ist es bekannt, massive Ringträger aus Eisenwerkstoffen mit radialen Einschnitten, z. B. abwechselnden inneren und äußeren Einfräsungen, zu versehen. Derart verformungsweiche Träger können zwar die Spannungen, hervorgerufen durch ihre verschiedene Wärmedehnung gegenüber dem Leiohtmetaillgrundwerkstoff, abbauen, ohne daß ein Bruch befürchtet werden muß. Die Herstellung ist aber durch die notwendigen Dreh- und Fräsarbeiten teuer, so daß diese Vorschläge keine technische Verwendung gefunden haben.

Ferner wurde auch schon empfohlen, den Ringträger aus einem geschlossenen wellen- oder zickzackförmigen Stahlband darzustellen. Damit wäre ein großer Grad von Verformungsweichheit erzielt, der Brüche des Ringträgers infolge größerer Wärmedehnung des Grundwerkstoffes aus Leichtmetallen mit Sicherheit verhindert; aber der Anteil der Stahlauflage, der das Tragen des Ringes in der Ringnut übernimmt, bleibt gegenüber dem Traganteil des Leichtmetalls verhältnismäßig bescheiden, wodurch größtmögliche Verschleißminderung nicht gewährleistet ist. Diese Anordnung hat auch den grundsätzlichen Nachteil, daß die außerhalb des wellenförmigen Stahlbandes liegenden Teile des Kolbenkörpers aus Leichtmetall nicht festgehalten werden und nach außen ausbrechen können. Diese Gefahr ist nicht gering, wenn man bedenkt, daß nach Einstechen der Ringnut zwischen Nutgrund und dem wellenförmigen Ringträgerstahlband nur kleine Bereiche aus Leichtmetall

909 557/225

stehenbleiben, die nach außen nur mangelhaft festgehalten werden können.

Zur Bewehrung der Flanken der Ringnuten eines Leichtmetallkolbens für Brennkraftmaschinen ist schließlich auch schon vorgeschlagen worden, mit dem Kolbenwerkstoff verankerte Blecheinlagen aus einem härteren Metall zu verwenden. Diese Einlagen sind zur Bewehrung der oberen und unteren Flanken einer Ringnut deckungsgleich ausgebildet. Dabei weisen die Einlagen nach außen gerichtete, radial verlaufende Ausnehmungen auf. deren Breite von innen nach außen zunimmt. Derartigen aus Blech gestanzten Segmenten, die durch innere Ringteile miteinander verbunden sind, fehlt jedoch die während des Betriebes notwendige elastische Verformbarkeit, um den thermischen Beanspruchungen der Kolbenverformung Rechung zu tragen. Sie bilden daher keinen ausreichend verformungsweichen Ringträger für die Aufnahme der Dichtungsringe des Kolbens.

Die vorerwähnten Mängel sind erfindungsgemäß bei einem Leichtmetallkolben, der mit einem elastisch verformbaren Ringträger aus Schwermetall ausgerüstet ist und der aus Einzelringstanzblechen in Form von geschlossenen Ringen aufgebaut ist, dadurch behoben, daß der Ringträger in radialer Richtung innere und äußere Ausnehmungen aufweist, die sich in ihrer radialen Tiefe überschneiden, wobei sich jedoch die Breite der Ausnehmungen von außen nach innen bzw. von innen nach außen so ändert, daß die Weite der letzteren von außen nach innen und die Weite der ersteren von innen nach außen zunimmt. Eine derartige Ringträgerausbildung verhindert ein radiales Ausweichen bzw. Ausbrechen der Leichtmetallteile aus den Aussparungen.

Die Erfindung besteht nicht in den genannten Einzelmerkmalen als solchen, wohl aber in deren Vereinigung.

Die Figuren veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Leichtmetallkolben ;

Fig. 2 bis 4 sind Querschnitte durch den Ringträger.

Um höchste Wirtschaftlichkeit zu erzielen, wird der Ringträger 1 vorteilhaft aus gestanzten Stahlblechen hoher Festigkeit von etwa 60 kg/mm² hergestellt. Da die axialen Höhen in Motoren bis etwa 150 mm Bohrung bei 2 bis 3 mm liegen, hat der Ringträger eine Höhe von etwa 6 bis 8 mm. Die einzelnen gestanzten Bleche haben Wandstärken bis zu etwa 4 mm. Die einzelnen Stanzbleche werden deckungsgleich aufeinandergelegt und fest, beispielsweise durch Punktschweißung, miteinander verbunden. Auf diese Weise können Ringträger an sich beliebig axialer Höhe unter Aufwendung geringster Kosten in kürzester Zeit angefertigt werden.

Zur Erzielung einer möglichst großen Verformungsweichheit und damit zur Vermeidung unzulässiger Spannung zwischen dem Ringträger und dem Leichtmetallkörper erhalten die einzelnen gestanzten Blechkörper innen bei 2 und außen bei 3 Ausnehmungen. Dabei kann so vorgegangen werden, daß die Breite der äußeren Ausnehmung 3 (Fig. 2) in Richtung des Ringträgermittelpunktes zunimmt, während die Breite der inneren Ausnehmung 2 abnimmt.

Durch diese Maßnahme gelingt es, einen absolut

sicheren Verband zwischen Ringträger und dem Leichtmetallwerkstoff des Kolbens zu erzielen, so daß insbesondere ein Loslösen der in den äußeren Ausnehmungen befindlichen Leichtmetallteile sicher ver-• hindert ist.

Mit Rücksicht auf gegebenenfalls in der Innenkante des Ringträgers auftretende Spannungen durch die verschiedene Wärmedehnung des Kolben- und Ringträgerwerkstoffes kann es auch zweckmäßig sein, die Innenausnehmungen nach Fig. 3 so zu gestalten, daß der Kolbenkörperwerkstoff keilförmig in die inneren Ausnehmungen des Ringträgers eindringen kann. In diesem Falle nimmt die Breite der inneren Aus-

IS nehmung 4 zum Mittelpunkt des Ringträgers zu. Es ist zweckmäßig, die seitliche Begrenzung der Ausnehmungen in diesem Falle geschwungen zu führen, etwa wie Fig. 3 zeigt.

In Fig 4 ist eine Ausfülwungsform dargestellt, die eine besonders wirtschaftliche Art des Stanzwerkzeugs ergibt. Bei dieser Ausführung werden die inneren und äußeren Ausnehmungen des Ringträgers rund ausgeführt, wobei die dehnungsweiche Form des Ringträgers dadurch gewährleistet bleibt, daß die runden inneren und äußeren Ausnehmungen die innere und äußere Begrenzung des Ringträgers unterbrechen. Beim Punktschweißen werden die einzelnen gestanzten Bleche so aufeinandergeschichtet, daß sich die inneren und äußeren Aussparungen genau decken.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Ringträgers bietet eine absolute Sicherheit gegen Bruch im Ringträgerkörper, weil der letztere durch die inneren und äußeren Ausnehmungen so verformungsweich gehalten ist, daß er dem größeren Wärmewachstum des Kolbenkörpers folgen kann, ohne unzulässige Spannungen auszubilden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit elastisch verformbarem Ringträger aus Schwermetall, der aus Einzelringstanzblechen in Form von geschlossenen Ringen aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringträger (1) in radialer Richtung innere und äußere Ausnehmungen (2,3,4) aufweist, die sich in ihrer radialen Tiefe überschneiden, wobei sich die Breite der Ausnehmungen von innen nach außen bzw. von außen nach innen ändert, so daß die Weite der äußeren Ausnehmungen (3) von außen nach innen und die Weite der inneren Ausnehmungen (2, 4) von innen nach außen zunimmt.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die seitlichen Begrenzungen der inneren Ausnehmungen (4) geschwungen ausgeführt sind.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Ausnehmungen des Ringträgers rund ausgeführt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 455 539;
USA.-Patentschriften Nr. 2 685 729, 2 689 773.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

557/225 6.59