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Leichtmetallkolben, insbesondere geschmiedeter bzw. gepreßter Ausführung,
mit zur Aufnahme von Kühlmitteln dienenden Ringkanälen im Kolbenkopf Die Erfindung
bezieht sich auf Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, die mit einer Kühleinrichtung
im Kolbenkopf ausgerüstet sind, Es ist bekannt, eine solche Kühleinrichtung in Form
eines Kühlkanals auszubilden und bei geschmiedeten bzw. gepreßten, gegebenenfalls
auch bei gegossenen Kolben diesen Kanal mit spangebenden Werkzeugen herzustellen.
Der nach Art einer ringsum laufenden Nut in dieser «'eise erlangte Kühlkanal ist
nach dem Kolbenboden hin offen und so angebracht, daß gleichzeitig, in der Regel
sogar vorzugsweise, die Ringpartie mitgekühlt wird. Die kreisförmige Öffnung des
Kühlkanals muß nachträglich verschlossen werden. Hierzu dient eine Abdeckung, die
verschiedenartig, gegebenenfalls sogar im Querschnitt kreisringförmig gestaltet
sein kann. Ein solcher Abdeckring wird in die Öffnung der den Ringkanal bildenden
Nut eingelegt und am Herausfallen durch Zusammenschweißen des Kolbenwerkstoffes
gehindert. Es kann somit kein Schweißmetall in den Kühlkanal gelangen, und es ist
für einen ausreichenden Verschluß desselben nach außen hin gesorgt. Zur Erleichterung
der Durchführung des Schweißvorganges ist die Öffnung der Nut V-förmig erweitert.
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Die bisher gewonnenen Erfahrungen haben aber gezeigt, daß Kolben mit
einer verschweißten Abdeckung der nachträglich im Kolbenkopf eingebrachten Kühlkanäle
oder Kühlräume sich nicht bewährt haben, weil die verhältnismäßig große und ringförmig
geschlossene Schweißnaht infolge der während des Betriebes und sogar auch schon
beim Verschweißen auftretenden Wärmespannungen bereits nach verhältnismäßig kurzer
Zeit aufreißt, so daß der Kühlmittelraum undicht wird.
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Der durch beispielsweise Einstechen erzeugte Kühlkanal kann auch mittels
einer Schrumpfverbindung verschlossen werden. Da aber der Schrumpfring, der zur
Abdeckung dient, an mindestens einer seiner Berührungskanten mit dem Kolbenwerkstoff
verschweißt werden muß, um ihn für alle Fälle festzuhalten und die Dichtung noch
zu erhöhen, besteht auch für eine solche Ausführungsform die Gefahr des Einreißens
der Schweißverbindung, während bei einer Schrumpfringabdichtung ohne Verschweißung
ein Lockerwerden bei höheren Betriebstemperaturen infolge der Überschreitung der
Elastizitätsgrenze über die Schrumpfspannung hinaus erfolgen kann.
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Es ist weiterhin auch nicht mehr neu, zur Kühlung des Kolbenkopfes
daselbst radial verlaufende Kanäle vorzusehen, die am Kolbenumfang mittels Stopfen
verschlossen werden, welche verschweißt oder vernietet werden, um auf diese Weise
einen Abschluß nach außen zu erhalten. Eine derartige Abdichtung reicht aber nicht
aus, sondern ist der Wärmeeinwirkung unterworfen und läuft Gefahr, infolge der gleichzeitig
auftretenden mechanischen Beanspruchungen Risse zu erhalten. In der Praxis sind
daher alle Kolbenausführungen, bei welchen die Abdichtung durch Schweißnähte oder
Verschmieden erfolgt, bisher als unbefriedigend erkannt worden.
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Die Erfindung macht auch von der Verwendung eines Schrumpfringes Gebrauch.
Die neue Regel besteht darin, zum sicheren Abschließen des Ringkanals bei allen
Betriebszuständen den Schrumpfring aus einem Werkstoff herzustellen, der gegenüber
dem des Kolbens einen größeren linearen Wärmedehnungsbeiwert besitzt und selbst
bei der höchstzulässigen Betriebstemperatur noch eine so große Schrumpfspannung
aufweist, daß der hierdurch ausgeübte Verschlußdruck auf die Öffnungen der Kühlkanäle
einen sicheren Abschluß gewährleistet. Beispielsweise kann als Werkstoff für den
Kolben eine Aluminiumlegierung gewählt werden, die 12'% Silizium, je 1% Kupfer,
Nickel und Magnesium aufweist, während für die Anfertigung des Schrumpfringes eine
solche bevorzugt ist, die als Y-Legierung in der Fachwelt bezeichnet wird und 4%
Kupfer, 1,5% Magnesium und 2% .Nickel enthält. Die Wärmeausdehnungszahl der ersteren
beträgt 20,5 - 10-s cm pro cm °C, die der letzteren 24 - 10-s cm/cm °C im Temperaturbereich
zwischen 20 und 200° C.
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Im Kolbenbau sind wohl schon durch Aufschrumpfen auf den Kolbenoberteil
angeordnete Manschetten oder Ringe aus einem gegenüber dem Kolbenwerkstoff
unterschiedlichen
Material bekanntgeworden. So wurde z. B. empfohlen, einen Bronzering über den aus
einem Stahlstück geschmiedeten zylindrischen Kopf des Kolbens aufzuschrumpfen. Weiterhin
ist der Fachwelt bekanntgeworden, auf dem Kopf eines Leichtmetallkolbens eine aus
Stahl oder anderem Material bestehende Manschette aufzupressen oder aufzuschrumpfen.
Diese Ringe bzw. Manschetten dienen aber lediglich als Träger für die Kolbendichtungsringe.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung hingegen verschließt der Schrumpfring
die Öffnungen der Ringkanäle dank seiner Schrumpfspannung und des damit ausgeübten
Anpressungsdruckes. Bei der Erwärmung des Kolbens dehnt sich der Schrumpfring stärker
aus als der Kolben, so daß sowohl die tangentiale Schrumpfspannung als auch der
radial wirkende Verschlußdruck auf die in radialer Richtung sich im Kolbenboden
erstreckenden Kühlkanäle kleiner wird. Es würde daher bei einer bestimmten Temperatur,
bei der die Schrumpfspannung aufgezehrt sein muß, ein Lockern des Schrumpfringes
eintreten und ein Spalt zwischen seiner Sitzfläche und dem Kolbenwerkstoff entstehen.
Die Erfindung vermeidet aber diese Gefahr dadurch, daß unter Berücksichtigung der
höchstmöglichen Betriebstemperatur und der Größe der Dauerwarmelastizitätsgrenze
des Schrumpfringwerkstoffes der von diesem ausgeübte Druck auch bei den daselbst
auftretenden Temperaturen noch so groß ist, daß der erforderliche dichtende Preßdruck
verbleibt.
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Wenn der Schrumpfring ferner nicht unmittelbar den Feuergasen im Verbrennungsraum
ausgesetzt werden soll, um zu verhindern, daß er im Betriebszustand nicht so heiß
wird wie die ihn umgebenden Kolbenpartien, hat es sich weiterhin erfindungsgemäß
als zweckmäßig erwiesen, den Ring durch einen nach dem Aufschrumpfen vorzunehmenden
Schmiedevorgang an der Kolbenbodenfläche zu schützen. Hierzu wird zweckdienlich
eine am Kolbenrohling vorgesehene ringförmige Abdeckung über den aufgeschrumpften
Ring geschmiedet. Das Abbiegen eines kegelmantelförmigen Bodenteiles gegen den Schaftteil
eines geschmiedeten Kolbens ist der Fachwelt wohlbekannt. Das umgebogene Bodenteil
dient zum Verschließen einer ringförmigen Kammer hinter dem Bereich der Nuten für
die Abdichtungsringe des Kolbens in dessen oberem Teil. Die Kammer selbst hat den
Zweck, den Wärmefluß von der Mitte des Kolbenbodens aus nach den Verdichtungsringen
hin zu hemmen und soll nicht etwa als Kühleinrichtung Anwendung finden, wie dies
beim Leichtmetallkolben nach der Erfindung der Fall ist. Das überschmieden der ringförmigen
Abdeckung bei dem letzteren dient hingegen dazu, den Schrumpfring im i-Iotorenbetrieb
kühler zu halten. Dieser Schmiedevorgang muß jedoch in einem Temperaturbereich erfolgen,
der den Betriebszustand stark überschreitet. Indem hierbei die erfindungsgemäße
Regel bezüglich der Werkstoffwahl des Abdichtungsringes benutzt wird, gelingt es
ohne weiteres, zu erreichen, daß die tangentialen Ringspannungen, ohne eine bleibende
Verformung befürchten zu müssen, unterhalb der Elastizitätsgrenze liegen.
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Gegebenenfalls kann die Schrumpfverbindungsfläche unter anderem durch
Erhöhung des Traganteiles noch dadurch verbessert werden, daß weiterhin erfindungsgemäß
beide oder auch nur eine Anlagefläche vor dem Aufschrumpfverfahren verzinnt wird,
was beispielsweise unter Zuhilfenahme von Ultraschall einfach und sicher durchgeführt
werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Sitz des Schrumpfringes noch
dadurch zu verbessern, daß während des Schrumpfvorganges in an sich bekannter Weise
der Ring oder der Kolben in drehende Bewegung versetzt wird und die Anpreßfläche
durch die Relativbewegung vor dem festen Aufsitzen zum Pressen kommen.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dient die Abbildung, die einen
Längsschnitt durch einen Teil des Kolbenkopfes veranschaulicht.
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Die zur Aufnahme des Kühlmittels des Kopfes und der Ringpartie eines
Leichtmetallkolbens vorgesehenen Ringkanäle a im Kopf c sind mittels eines Schrumpfringes
b verschlossen. Die Ringkanäle a werden in einfacher Weise mittels spangebender
Werkzeuge in dem Rohling des Kolbens angebracht. Der Schrumpfring b kann gleichzeitig
als Träger der Nuten d für die Kolbendichtungsringe dienen. Sofern der Dichtungsring
b geschützt werden soll, empfiehlt es sich, einen in Abbildung gestrichelt eingezeichneten
ringförmigen Wulst f durch einen Schmiedevorgang in die Stellung
e
als Abschluß des Dichtungsringes b auszuschmieden.