DE1134481B - Verfahren zum Herstellen von gegossenen Leichtmetallkolben mit Verstaerkung an der Kolbenringnut - Google Patents

Description

• Verfahren zum Herstellen von gegossenen Leichtmetallkolben mit Verstärkung an der Kolbenringnut Die Erfindung bezieht sich auf die Verstärkung von Leichtmetallkolben an den Stellen, wo die Nut für die Aufnahme von Kolbenringen eingeschnitten oder eingefräst ist. Es wurde bereits vorgeschlagen, an diesen Stellen der Leichtmetallkolben Verstärkungen aus einem eisenhaltigen Metall anzubringen, um so die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Zum Beispiel werden dem Kolben während des Gießens Metalleinlagen in Platten- oder Blechform oder ein glatter oder gewellter Ring aus Bandeisen einverleibt und die Kolbenringnut dann in diese Verstärkung eingeschnitten. Dies ist nicht nur kostspielig, sondern verursacht auch häufig übermäßige Bindungsschwierigkeiten.
• Nach einem älteren Vorschlag des Erfinders werden Verstärkungselemente verwendet, die zweckmäßig aus Draht bestehen. Die Verstärkungen verlaufen wellenförmig in Richtung des Kolbenumfangs und sind so angeordnet, daß sie sich auf beide Seiten der Kolbenringnut oder -nuten erstrecken. Die Verstärkungselemente sind eingebettet und werden durch die Nuten so durchschnitten, daß sie innerhalb der Nuten freiliegen und dem Verschleiß an den oberen und unteren Nutenflächen widerstehen.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gegossenen Leichtmetallkolben, die an der Kolbenringnut durch eingegossene Metalleinlagen verstärkt sind, von denen Teile beim Gießen in bekannter Weise aus der Kolbenwand herausragen und bei der Kolbenbearbeitung weggeschnitten werden. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung ein in seiner Längsrichtung wellig oder spiralig verlaufender Metalldraht verwendet wird, von dem ein für den Umfang des Kolbens ausreichendes Stück in eine Gießform hineinragt, die in Höhe der in den Kolben zu schneidenden Nut eine flache, muldenförmige Aussparung aufweist, in die Teile des Drahtes radial hineingelegt werden und in der der Draht zufolge seiner welligen Form oder Spannung in einer Lage entsprechend der zu schneidenden Nut gehalten wird, und daß sodann das Leichtmetall in die Form gegossen wird und die gewünschte Nut für den Kolbenring in den Kokillenrohling in Höhe des eingegossenen Drahtes geschnitten wird, wobei die restlichen Teile des Drahtes längs der eingeschnittenen Nut verbleiben.
• Die neuen Verstärkungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie beim Gießen einfacher, billiger und sicherer in der Form befestigt werden können und in der Masse des Leichtmetallkolbens besser verankert sind. Die Verstärkungen sind besonders wirksam an den Stellen, wo ein maximaler Nutenverschleiß erfolgt.
• In den Zeichnungen sind Ausführungsformen der Erfindung bzw. Verfahrensschritte nach der Erfindung dargestellt.
• Fig. 1 ist ein Teil des Grundrisses einer Form des verstärkten Kolbens; Fig. 2 ist ein teilweiser Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und zeigt auch Teile der Gießform in gestrichelter Zeichnung; Fig. 3 ist ein ähnlicher Schnitt des Kolbens nach der Bearbeitung und dem Einschleifen der Kolbenringnuten; Fig. 4 ist ein waagerechter Teilschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3; Fig. 5 ist ein Teil des Grundrisses eines Kolbens in einer anderen Ausführungsform; Fig. 6 ist eine Teilansicht im Schnitt entlang der Linie 6-6 der Fig. 5; Fig. 7 ist eine Teilansicht im Schnitt des bearbeiteten Kolbens mit eingeschnittener Nut; Fig. 8 ist eine waagerechte Teilansicht des gleichen Kolbens im Schnitt entlang der Linie 8-8 der Fig. 7; Fig. 9 ist eine Teilansicht im Schnitt eines Kolbens in einer anderen Ausführungsform; Fig. 10 ist eine perspektivische Teilansicht einer anderen Art der Drahtverstärkung; Fig. 11 ist ein Teilgrundriß eines die Verstärkung der Fig. 10 enthaltenden Kolbens; Fig. 12 ist eine Teilansicht im Schnitt entlang der Linie 12-12 der Fig. 11 des bearbeiteten Kolbens mit eingeschnittener Nut; Fig. 13 ist eine Teilansicht im Schnitt eines in der Form befindlichen Kolbens, der eine andere Ausführungsform der Drahtverstärkung enthält, wobei Teile der Gießform gestrichelt gezeichnet sind; Fig. 14 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der Drahtverstärkung, die in der Ausführungsform nach Fig. 13 verwendet wird; Fig. 15 ist -eine Teilansicht im Schnitt eines bearbeiteten und mit Nut versehenen Kolbens mit einer anderen Ausführungsform der Verstärkung; Fig. 16 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Teil des in Fig. 15 verwendeten Verstärkungselementes; Fig. 17 ist eine Teilansicht im Schnitt eines in der Form befindlichen Kolbens, der eine Drahtverstärkung enthält, wobei Teile der Gießform gestrichelt dargestellt sind. Diese Figur erläutert, wie die Verstärkung in der Form auch in anderer Weise gehalten werden kann.
• Nach der Erfindung werden die aus Schwermetalldraht (gewöhnlich Eisen- oder Stahldraht) bestehenden Verstärkungselemente mit wellenförmigen Windungen verschiedener Form versehen. Wie nachstehend eingehender erklärt wird, ist die Verstärkung so beschaffen, daß sie im wesentlichen Windung um Windung durch Eingriff eines Teils der jeweiligen Windung in eine Mulde in der Formwand gehalten wird. Hierdurch wird die Formstruktur nicht wesentlich kompliziert, es wird aber beim Gießen ein sicheres Halten der Verstärkung an der Kolbenstelle ermöglicht, wo die Ringnut geschnitten werden soll. Die Verstärkung selbst kann aus wellenförmigem Draht unbestimmter Länge bestehen und kann zu Längen zerschnitten werden, die für die Herstellung von Kolben verschiedener Größe geeignet sind, und diese Längen können leicht so gebogen werden, daß sie in die Mulden an der Innenseite der Form passen. Die Verstärkungen behalten wegen der innewohnenden Spannung ihre Stellung in den Mulden ohne weiteres bei. Das Verstärkungselement befindet sich stets an der richtigen Stelle für den Schnitt der Kolbenringnut. Bei einigen Ausführungsformen ist es möglich, die Verstärkungen eine wesentliche Strecke in radialer Richtung oder durch die gesamte radiale Ausdehnung der oberen und unteren Flächen der Kolbenringnut verlaufen zu lassen.
• Bei einer einfachen, aber wirksamen Ausführungsform der Erfindung hat die Drahtverstärkung die Form einer einfachen Spiralfeder mit geringfügig voneinander entfernten Windungen, wie bei 1 in Fig. 1 bis 4 gezeigt ist. Eine derartige, gewöhnlich aus Stahldraht bestehende Feder kann auf die gewünschte Länge geschnitten, gebogen und gegen die zylindrische Seitenwandung 3 einer Kolbenform so gelegt werden, daß ein kleiner seitlicher Teil jeder Windung in eine flache Mulde 5 der Formwand eingreift. Weitere Verstärkungen ähnlicher Art können unterhalb bei 1 a in Fig. 2 verwendet werden.
• Beim Gießen des Leichtmetalls in die Form entsteht ein ringförmiger Wulst 7 (Fig. 1) an der Stelle, wo die Ringnut zu schneiden ist. Der Durchmesser der Windungen der Verstärkung ist so bemessen, daß er größer ist als die effektive größte Abmessung einer Kolbenringnut 9 oder 9 a; die in den Kolben gefräst oder gedreht wird und die Verstärkung an einer Seite durchschneidet. Dies ist in Fig. 3 gezeigt. Wenn der

Claims (2)

1. Kolben bearbeitet und die Nut eingeschnitten ist, ist das Verstärkungselement in getrennte C-förmige Stücke entsprechend den einzelnen Windungen zerschnitten, die Enden jeden Stücks sind jedoch, wie bei 10 und 11 gezeigt ist, an den Außenkanten der oberen und unteren Fläche der Ringnut freiliegend. Diese Lage ist für die Verschleißminderung vorteilhaft. Im übrigen liegen die C-förmigen Stücke vollständig in dem Leichtmetallkörper 13 des Kolbens eingebettet. Die durch das Nutschneiden verursachte Unterbrechung der zur Verstärkung verwendeten Drahtspirale unter Bildung von Teilstücken ist vorteilhaft, denn dadurch werden Schwierigkeiten vermieden, die sich aus den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Leicht- und Schwermetallteile ergeben. Auf die Abstände der Windungen der federartigen Verstärkung der Fig. 1 bis 4 kommt es dabei nicht besonders an, die Windungen sollten jedoch weit genug voneinander entfernt sein, um ein leichtes Durchfließen des Leichtmetalls zwischen ihnen während des Gießens zu ermöglichen. Eine andere Form der Verstärkung ist bei 14 in den Fig.5 bis 8 angegeben. Sie kann als flacher, schlangenförmiger Draht bezeichnet werden. Wegen der Flachheit kann er nur die obere oder die untere Fläche einer Kolbenringnut verstärken, so daß, wie bei 14 und 14a in Fig. 6 und 7 gezeigt ist, jeweils ein Paar dieser Verstärkungselemente mit Abstand voneinander verwendet wird. Die Verstärkungselemente werden, wie bereits beschrieben, so angeordnet, daß die äußeren Teile ihrer Windungen in flachen Mulden der zylindrischen Formwand liegen. Die bei 15 in Fig. 5 gezeigten leichten Wülste auf dem gegossenen Metallkolben werden beim Bearbeiten des Kolbens entfernt. Da die- Tiefe der schlangenförmigen Windungen der Verstärkungselemente größer ist als die Tiefe der Ringnut 16, wirken die Windungen entlang ihrer radialen Ausdehnung als Verstärkung der oberen und unteren Nutflächen. Die Mulden in der Formwand können auch eine geringere Tiefe besitzen als der Draht der Verstärkung dick ist, so daß die äußeren Ränder der Kolbenringnut, wie bei 17 in Fig. 8 gezeigt ist, im größeren Ausmaß verstärkt werden. Gleichzeitig ergeben die schleifenförmigen Teile 18 der Windungen, die in dem Kolbenkörper vollständig eingebettet sind, eine gute Verankerung. Gewünschtenfalls können sich die äußeren Windungen 19 auch so weit aus der bearbeiteten Oberfläche 20 des Kolbens 21 nach außen erstrecken, daß sie, wie in Fig. 9 gezeigt ist, beim Bearbeiten des Kolbens weggeschnitten werden. Nach der Erfindung ist die Verwendung etwas komplizierter Formen der Drahtverstärkung vorteilhaft. Diese Formen können jedoch billig und einfach hergestellt werden, indem man zuerst aus Draht eine Windungsform bildet und diese später seitlich zum Kreise biegt. Die Fig. 10 zeigt eine solche Windungsform. Die Drahtverstärkung enthält demnach obere horizontal verlaufende Elemente 22 und untere horizontal verlaufende Elemente 23, die jeweils einen durch senkrechte Teile 24 und außen durch waagerechte Teile 25 bzw. 26 miteinander verbunden sind. Es liegt auf der Hand, daß bei der Einbettung der in Fig. 10 gezeigten Windungsform in einen Leichtmetallkolben 26a, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt ist, die horizontal verlaufenden Teile 22 und 23 imstande sind, beide Seitenflächen der Kolbenringnut 27 zu verstärken, so daß hier die Verwendung von zwei getrennten Verstärkungselementen für jede Nut, wie in Fig. 5 bis 9 gezeigt, unnötig ist. Die äußeren Windungsteile 25 und 26 werden beim Gießen in flachen Mulden in der Formwand gehalten, während die inneren Windungsteile 24 vollständig im Kolbenkörper eingebettet sind. Eine andere Ausführungsform der Verstärkung ist in Fig. 14 erläutert. Sie wird aus einer Drahtschlange gebildet und anschließend verformt, so daß sich nach oben erstreckende Windungsteile 28, nach unten gerichtete Windungsteile 29 und nach vorn ragende Windungsteile 30 ergeben. Wie in Fig. 13 erläutert, wird eine derartige Verstärkung in der Gießform so angeordnet, daß die Windungsteile 30 in flache Mulden 31 der Formwand 32 eingreifen. Die Windungsteile 30 werden bei der Bearbeitung des gegossenen Kolbens entfernt, und wenn in den Kolben 34 der Fig. 13 eine Kolbenringnut 33 eingeschnitten wird, erhält man eine Verstärkung nicht nur an den äußeren Kanten der oberen und unteren Nutflächen, sondern auch in wesentlichem Maße von diesen äußeren Kanten radial nach innen. Die Verstärkungsform nach Fig. 14 kann so gebogen oder verformt werden, daß die radial verlaufenden Windungsteile in unterschiedlichem Maße freihegen. Die oberen und unteren Windungsteile der Verstärkung können gewünschtenfalls verschiedene Längen und verschiedene Formen haben, wenn mehrere Kolbenringnuten geschnitten werden sollen und es erwünscht ist, die dazwischenliegenden Kolbenteile zu verstärken. Eine etwas einfachere Struktur ist in den Fig. 15 und 16 dargestellt. Fig. 16 zeigt eine Drahtverstärkung, bei der eine Schlange aus Draht seitlich rechtwinklig so gebogen ist, daß nach oben ragende Windungsteile 35 und nach vorn ragende Windungsteile 36 entstehen. Beim Gießen greifen die nach vorn ragenden Teile 36 in eine Mulde in der Formwand ein und werden so in ihrer Stellung gehalten. Die nach oben ragenden Teile 35 sind im Kolbenkörper 37 vollständig eingebettet. Eine Verstärkung ergibt sich bei 38 und 39 in der oberen und unteren Fläche der Nut 40 nach deren Einschneiden in den Kolben. Die Halterung der Verstärkungselemente in der Form während des Gießens kann in manchen Fällen durch die Verwendung von Wülsten in der Formwand, z. B. des Wulstes 41 in Fig. 17, erleichtert werden. Er ist in seiner Verwendung mit dem Verstärkungselement 42 gezeigt, das dem in Fig. 10 gezeigten Element ähnlich ist. Der Wulst 41 dient nicht nur dazu, die Drahtverstärkung während des Gießens des ; Leichtmetallkörpers 43 in Stellung zu halten, sondern verringert auch etwas die Kosten des Einschneidens der Kolbenringnut. Gewünschtenfalls können in der Gießform Kombinationen aus Wülsten und Mulden verwendet werden. ; Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck »Leichtmetall« umfaßt Aluminium, Magnesium und ihre verschiedenen Legierungen, und der Ausdruck »Schwermetall« umfaßt jedes Metall hoher Festigkeit (gewöhnlich Eisen oder Stahl), das für die Herstellung f verschleißmindernder Verstärkungen geeignet ist. Bei Verstärkungen der hier beschriebenen Art ist das Problem der Bindung zwischen der Verstärkung und dem sie umgebenden Leichtmetallguß verhältnismäßig unwichtig. Zur Sicherstellung einer Bindung können verschiedene Maßnahmen durchgeführt werden. So kann der zur Bildung einer Verstärkung verwendete Draht aus einem Material bestehen, das zuvor durch Eintauchen bei hoher Temperatur mit dem Leichtmetall überzogen wurde. Noch bessere Ergebnisse können in vielen Fällen dadurch erzielt werden, daß man den Draht zuerst mit einer dünnen Schicht eines Metalls, wie Zinn, Zink oder Nickel, überzieht. Diese Metalle werden zweckmäßig durch Galvanisieren aufgebracht, obwohl im Falle von Zink auch Eintauchen bei hoher Temperatur möglich ist. Das Gießen des Leichtmetalls unter Einbezug der Verstärkungselemente kann, wie in der USA.-Patentschrift 2 797 460 beschrieben, erfolgen. Die Anwendung eines Gießverfahrens, bei dem man das geschmolzene Leichtmetall eine wesentliche Zeit lang gegen die Oberflächen der Verstärkung fließenläßt, istvorteilhaft, dennesvermindertdieWirkung von Oxyden auf den Oberflächen des Drahts oder des Leichtmetalls. Wenn das Leichtmetall aus einer Aluminiumlegierung mit hohem Gehalt an Elementen wie Silicium (z. B. »Vanasil«) besteht, können die Temperaturbedingungen so reguliert werden, daß die Drahtverstärkung eine abkühlende Wirkung auf unmittelbar benachbarte Teile des geschmolzenen Metalls hat, was die Fällung einer gewissen Menge des Siliciums oder anderer Legierungsbestandteile in .feinteiliger Form und damit eine Verbesserung der Bindung zur Folge hat. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Herstellen von gegossenen Leichtmetallkolben, die an der Kolbenringnut durch eingegossene Metalleinlagen verstärkt sind, von denen Teile beim Gießen aus der Kolbenwand herausragen und bei der Kolbenbearbeitung weggeschnitten werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkung ein in seiner Längsrichtung wellig oder spiralig verlaufender Metalldraht verwendet wird, von dem ein für den Umfang des Kolbens ausreichendes Stück in eine Gießform hineinragt, die in Höhe der in den Kolben zu schneidenden Nut eine flache, muldenförmige Aussparung aufweist, in die Teile des Drahtes radial hineingelegt werden und in der der Draht zufolge seiner welligen Form oder Spannung in einer Lage entsprechend der zu schneidenden Nut gehalten wird, sodann das Leichtmetall in die Form gegossen wird und in den Kokillenrohling in Höhe des eingegossenen Drahtes die gewünschte Nut für den Kolbenring, wobei die restlichen Teile des Drahtes längs der eingeschnittenen Nut verbleiben, geschnitten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einlage Metalldrähte, die mit einem dünnen Überzug aus Aluminium, Zink oder Zinn versehen sind, verwendet werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1005 330; französische Patentschrift Nr. 897 373; USA: Patentschrift Nr. 2 685 729.