DE1103698B - Durch Schmieden oder Pressen hergestellter Kolben, vorzugsweise aus einer Aluminium-legierung fuer Brennkraftmaschinen und Kompressoren - Google Patents

Description

• Durch Schmieden oder Pressen hergestellter Kolben, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung für Brennkraftmaschinen und Kompressoren Gegenstand der Erfindung ist ein Kolben für Brennkraftmaschinen und Kompressoren, der vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und der eine Kühlvorrichtung im Kopf oberhalb und hinter der Ringpartie besitzt.
• Die Anordnung von Räumen zur Aufnahme .eines Kühlmittels oder als Wärmesperre zwecks Regelung des Wärmeflusses von denn thermisch hoch beaufschlagten Kolbenboden zu der Ringpartie bzw. den Kolbenbolzenaugen bei durch Gießen hergestellten Kolben gelingt ohne Überwindung wesentlicher Schwierigkeiten. Umderartige Hohlräume jedoch in Kolben vorzusehen, die durch Schmieden oder Pressei hergestellt werden, sind bereits mancherlei Vorschläge gemacht und erprobt worden, die in der Regel die Anbringung von Schweißnähten oder Schweißverbindungen bedingen. So ist es z. B. bekannt, in dem Kopf des Kolbenrohlings mittels spangebender Werkzeuge eine ringförmig verlaufende Ausnehmung in Form eines in sich geschlossenen Kanals vorzusehen, die an -der Oberfläche des Kopfes offen ist und daher nachträglich wieder verschlossen werden muß, wenn sie mit dem Kühlmittel gefüllt worden ist. In der Regel findet hiefür eine Abdeckung Anwendung. Der Verschlußring soll das Eindringen von Schweißmetall in den Ringkanal verhindern, wenn die Öffnung verschweißt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die verhältnismäßig große Schweißnaht infolge ,der während des Betriebes auftretenden Wärmespannungen nach verhältnismäßig kurzer Zeit aufreißt und damit der Kühlmittelraum undicht wird.
• Es ist ferner nicht mehr neu, im Bereich der Kolbendichtungsringe am Kopf eines ,geschmiedeten Kalbenrohlings einen Ringraum nachträglich herauszuarbeiten, der den Wärmefluß nach den Kolbenvcrdichtungsringen hemmen soll, indem .eine Ringnut von einer den Kolbenboden überhöhenden Wandverstärkung aus eingestochen und der stehenbleibende kegelmantelförm:ige Bodenteil gegenüber dem stehenblenbenden ringförmigen Schaftteil eingebogen wird, bis die Öffnung zwischen den beiden Teilen verschlossen ist. Um hierbei eine ausreichende Abdichtung gegen d,as Eindringen heißer Feuergase durch den Berührungsspalt in den Ringraum herzustellen, wo selbst sie eine Überhitzung des Kolbenwerkstoffes andernfalls herleiten können, muß der Spalt verschweißt werden. Die Schweißnaht läuft aber auch hier Gefahr, während des Betri-abes undicht zu werden.
• Eine andere Ausführung bei einem geschmiedeten Kolben besteht darin, den Kühlmittelraum so vorzusehen, daß die Ringpartie gesondert auf den Tauchkolben aufgesetzt und der Feuersteg nachträglich zur Halterung der aufgeschrumpften Ringpartie aufgeschraubt wird. Hierdurch gelingt es zwar, den Kühlraum genau zu dimensionieren, doch zeigt sich der .Nachteil, daß die Verschraubung während des Betriebes keine ausreichende Abdichtung gewährleistet.
• Es ist weiterhin nicht mehr nervt, im Kolbenkopf hinter der Ringpartie zur Stauung des Wärmeflusses von dem ersteren nach der letzteren und auch zu den Kolbenbolzenau,gen zwischen einer konzentrisch zur K olbenmantelwand verlaufenden Innenwand, die den Kolbenboden rnit den Kolbenbolzenaugen verbindet, und der Ringpartie selbst einen Ringraum vorzusehen, Dabei ist die Ringpartie mit den Nuten zur Aufnahme der Verdlichtungsringe des Kolbens als selbständiger Teil mit Schraubengewinden versehen, so daß er am Kolbenboden und an den Kolbenbolzenaugen mit denen .des Kolbens verbunden werden kann. Selbst wenn diese Schraubenverbindung noch durch Verschweißungen abgedichtet wird, reicht auch dieser Verschluß nicht aus, well während des Betriebes infolge der auftretenden Wärmespannungen Risse in der oberen Schweißnaht .entstehen.
• Um Kanäle, die sich .in radialer Richtung von der Oberfläche des Kolbenmantels aus im Bereich hinter der Ringpartie erstrecken, zu verschließen, sind auch schon Verschlußstücke als Teile des Kolbenwerkstoffes, die längs ihrer Ränder mit dem letzteren verschweißt werden, bekanntgeworden.
• Alle derartigen Schweißnähte zum Verschließen bzw. Abdichten von Räumen über und hinter der Ringpartie zur Aufnahme des Kühlmittels oder zur Einstellung der Wärmedämmung liegen im Bereich höchster thermischer und mechanischer Beanspruchung des Kolbens und haben bisher den erwarteten Erfolg nicht gebracht. Es zeigten sich immer wieder während des Betriebes des Kolbens Undichtigkeiten Es wird außerdem der Wärmefluß vom Kolbenboden zur Ringpartie durch die Schweißstelle sehr stark behindert und damit die Festigkeit derselben ungünstig beeinflußt.
• Um diesen Mangel zu beheben, ohne auf die durch eine Schweißverbindung herzustellende Abdichtung bei einem durch Schmieden oder Pressen hergestellten Kolben verzichten zu müssen, ist die Verschluß-bzw. Abdichtungsstelle des Raumes zur Aufnahme des Kiihlmittels.bzw.zur Wärmedämmung erfinidungsgemäß in den Bereich des Kolbenmantels unterhalb der Ringpartie und den Kolbenschaft gelegt. Dabei '. kann die Größe des Kühlraumes verschieden bemessen werden, indem beispielsweise nur der Bereich des zweiten oder dritten oberen Verdichtungsringes gekühlt wird. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Kühlraum bis zur Unterkante der Nute für den Olabstreifring zu erstrecken, so daß die ganze Ringzone eine Kühlung erfährt.
• Zur Abdichtung in dem vorerwähnten Bereich kann unbedenklich eine Schweißnaht gelegt werden. Der Abschluß kann aber auch mittels eines Ringes von schwalbenschwanzförmigem oder U-profilartigem nuerschnitt erfolgen.
• v Die Anwendung dieser Maßnahme setzt voraus, daß der V erschluß- bzw. Abdichtungsspalt sich nur am unteren Ende des in Frage kommenden Raumes befindet. Der Verschlußkörper selbst ist ein aus dem Kolbenrohling mittels spangebender Werkzeuge herausgearbeiteter und mit dem Kolbenwerkstoff an seinem nach dem Kolbenkopf hinweisenden Ende mit diesem noch zusammenhängender, die Nuten zur Unterbringung der Verdichtungsringe tragender ringförmiger Verschlußkörper. Der letztere kann durch Ziehen durch einen Ring als Gesenk oder Pressen bzw. Walzen bis zum Einrasten seiner unteren Stirnfläche auf eine entsprechend gestaltete Aufnahmefläche am oberen Schaftteil des Kolbens befestigt werden. Das Verfahren muß selbstverständlich in erwärmtem Zustand des Kolbenrohlings erfolgen.
• Zur Erfindung gehört :die Ausrüstung des Ver-"chlußkörpers mit Rippen, die seine innere Oberfläche vergrößern und damit eine Erhöhung der Kühlwirkung herbeizuführen vermögen. Die Rippen können aber auch zur Bemessung des Ringraumes für die Aufnahme des Kühlmittels dienen. Die Zuführung des Kühlöles erfolgt .bei einem solchen Kolben in an sich bekannter Art entweder dadurch, daß das Kühlmittel durch die hohlgebohrte Pleuelstange, den hohlen Kolbenbolzen und anschließende Bohrungen im Kolbenkopf geführt wird oder auch durch ein Stahlrohr, das einen geschlossenen Olstrahl unter Druck in den Kühlraum spritzt. Eine von der Pleuelstange vollhommen unabhängige Ölzu- und Ölabführung über Gelenk- oder Posaunenrohre ist auch bei dieser Kolbengestaltung durchführbar.
• Die Abbildungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele. Sie zeigen Axialschnitte und jeweils einen Ausschnitt aus der Ringpartie eines Kolbens.
• Ein Isolbenrohling,wie ihn die Abb. 1 veranschaulicht, ist durch Schmieden oder Pressen hergestellt Aus dem Rohling wird unter Anwendung spangebenderWerkzeuge ein Ringraum b herausgearbeitet, der zur Aufnahme des Kühlmittels oder auch als Wärmetau zur Verteilung des Wärmeflusses vom Kolbenhoden teils zur Ringpartie teils zu den Kolbenbolzenaugen hin dient. Auf diese Weise entsteht ein ringförmniger Körper c, der als Verschlußring bezeichnet wird. Die in der Abb.2 gestrichelt eingezeichnete Kontur entspricht der des Rohlings nach Abb. 1. Die ausgezogene Kontur entsteht durch spangebende Bearbeitung und zeigt die Gestalt des auf diese Weise vorgearbeiteten Rohlings. Um den Raum b nach außen abzuschließen, wird der Verschlußkörper c entsprechend der Darstellung in den Abb. 3 bis 9 in Richtung zum Kolbenkörper 2 bewegt. Dies kann durch einen Zieh-, Preß- oder Walzvorgang geschehen. An seiner unteren Stirnfläche rastet der Verschlußkörper c in eine entsprechend gestaltete Fläche d ein. Dieser Vorgang erfolgt bei Schmiedetemperatur. Sie beträgt im Falle der Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung des Kolbens 480' C maximal.
• Auf der Fläche d ist der Verschlußkörper c somit abgestützt. Der gesamte Verbrennungsdruck, der auf dem oberen Umfang des Kolbenbodens und auf den Kolbenringen lastet, wird somit in Betrieb von der Fläche d kraftschlüssig aufgenommen.
• Die Fläche d kann verschiedenartig gestaltet sein-Entsprechend den Angaben in der Abb.3 ist sie schräg nach dem Inneren des Kolbens hin geneigt. während sie in der Abb. 4 eine Ringnut na aufweist. Beim Einpressen des Verschlußstückes c ist in diesem Fall eine feste Verankerung mit dem übrigen Teil des Kolbens herbeigeführt.
• Wie die Abb. 5 erkennen läßt, erfolgt das Zupressen des Ringraumes b durch,das Verschlußstück c, indem ein Teil des Kolbenschaftes n durch einen besonderen Prägevorgang im Kolbenschaft nach außen gedrückt wird und durch die gleichzeitig- -einsetzende Deformation des Kolbenschaftes an der Trennstelle zwischen c und dem oberen Teil des letzteren bei o.
• Um eine Preßschweißung an der Spaltstelle herbeizuführen, wird entsprechend der Darstellung in der Abb. 6 verfahren. Der Verschlußkörper p wird aus dem Rohling bei der spangebenden Bearbeitung sc herausgearbeitet, daß noch ein gegenüber seinen normalen Abmessungen zusätzlicher Materialaufwand p vorhanden ist, der nach oder während des Schließvorganges so verformt ist, @daß er einen unterhalb des Spaltes liegenden Bereich q im Kolbenschaft ausfüllt, der ebenfalls aus dem Rohling herausgearbeitet worden ist. Während des Schließvorganges durch Ziehen oder Pressen des vorgearbeiteten Kolbenrohlings wird die zusätzliche Materialmenge p unter der Einwirkung von axial und radial gerichteten Kraftkomponenten in Richtung der Resultierenden in den Raum q gebracht, wobei längs der Fläche r eine Verschweißung eintritt.
• In der Ausführung nach Abb. 7 sind die Nuten e für die Verdichtungsringe und die mit f bezeichnete Nut für den Olabstreifring -eingetragen. Um mit Sicherheit eine gute Abdichtung zu erreichen, ist der Steg oberhalb der letzteren mit einer ringsumlaufenden Schweiß- oder Lötstelle g verschlossen.
• In der Abb. 8 ist an der Spaltstelle ein Ring i ein-,gewalzt. Diese Maßnahme ist der Anbringung einer Schweißnaht vorzuziehen, weil hierdurch die beim Schweißen oder durch das Löten auftretenden zusätzlichen Spannungen vermieden werden können. Der Verschluß des Spaltes zwischen dem Ringkörper c und der Sitzfläche d des Kolbenschaftes kann auch, wie die Abb. 9 erkennen läßt, mittels eines Ringes I, der einen U-förmigen Querschnitt aufweist, erfolgen Der Verschlußkörper c ist ferner in der Abb. 8 mit Rippen h versehen, die zur Vergrößerung seiner wärmeableitenden Oberfläche dienen. Sie können auch zur Abstützung und zur richtigen Bemessung des Ringraumes b benutzt werden. Statt der Rippen besteht auch die Möglichkeit, einen ein- oder mehrteiligen ringförmigen Abstandhalter k, wie ihn die Abb.9 zeigt, zu verwenden, der zweckdienlich aus Hartmetall oder Stahl auf der Rückseite des Verschlußkörpers c in dem Ringraum b eingelegt ist. Derartige Abstützungen erleichtern das Einbiegen des Verschlußkörpers c. Der Abstandhalter k kann zweckdienlich fest in den Kolbenkörper eingewalzt werden.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Durch Schmieden oder Pressen hergestellter Kolben, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, für Brennkraftmaschinen und Kompressoren, der im Kolbenkopf im Bereich hinter der Ringpartie einen Raum zur Aufnahme eines Kühlmittels oder zur Wärmedämmung des Wärmeflusses vom Kolbenboden teils nach den Kolbenbolzenaugen, teils zur Ringpartie aufweist, dadurch gekeannzeichnet, daß der Verschlußspalt und die Abdichtungsstelle des Verschlußkörpers (c) mit dem Kolbenwerkstoff des vorgenannten Ringraumes (b) unterhalb der Ringpartie gelegt und daselbst durch Schweißen, Preßschweißen oder Einwalzen von Ringen (i, L) verschlossen sind.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Verschließen des Ringraumes (b) dienende ringförmige Körper (c) an seinem oberen Ende mit dem Werkstoff des Kolbenkopfes zusammenhängt und die Verschlußlage durch Ziehen durch einen Ring, durch gleichzeitiges Pressen in axialer und radialer Richtung oder durch Walzen im warmen Zustand herstellbar ist.
3. 3. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Verschlußkörper (c) mit Rippen (h) ausgerüstet ist.
4. 4. Kolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper sich auf einen ein- oder mehrteiligen Rippenkörper (k) im Verschlußzustand abstützt.