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Leichtmetallkolben Die Erfindung bezieht sich auf einen insbesondere
für Brennkraftmaschinen bestimmten Leichtmetallkolben mit Kolbenringnuten, deren
Flanken durch eingegossene Einlagen aus einem biegsamen aber härteren Metall, z.
B. aus Stahlblech oder aus Kugelgraphit-Gußeisen bewehrt sind, welche einen mit
dem äußeren Kolbenrand bündigen Ringteil aufweisen, dessen radiale Tiefe kleiner
ist als die Ringnutentiefe, und der durch bis in die hinter den Ringnutengrund hineinragende
schwalbenschwanzförmige Stege an mehreren über den Umfang verteilten Stellen formschlüssig
im Leichtmetallkolbenkörper verankert ist.
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Bei einem bekannten derartigen Kolben wird angestrebt, daß der äußere
Ringteil der Einlagen den beim Schrumpfen und Ausdehnen des Kolbenkörpers infolge
von Temperaturänderungen auftretenden Bewegungen der im Kolbenkörper vollständig
eingebetteten Stege durch elastische Änderung seiner in Umfangsrichtung gemessenen
Länge zu folgen vermag. Um dieses Ziel zu erreichen ist es erforderlich, die Stege,
die ja alle dabei auftretenden Reaktionskräfte aufnehmen müssen, sehr stark auszubilden,
und vor allem sind die Verankerungen der Stege im Kolbenwerkstoff durch diese Kräfte
sehr stark beansprucht. Es ist ferner erforderlich, eine Vielzahl von Stegen verhältnismäßig
dicht nebeneinander anzuordnen, damit der Schlankheitsgrad der zwischen ihnen liegenden
Ringteile klein genug bleibt, um ein Ausknicken oder Ausbeulen dieser Ringteile
auszuschließen.
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Die Erfindung geht davon aus, daß zwar ein Ausknicken oder Ausbeulen
des äußeren Ringteils der Einlagen in axialer Richtung auf alle Fälle verhindert
werden muß, weil dadurch die Höhe der Ringnuten in unzulässiger Weise verändert
würde, daß aber sonst eine Anpassung des äußeren Ringes an das Wärmeausdehnungsverhalten
des Kolbenkörpers und der in ihn eingebetteten Stege durch Biegung einer solchen
durch elastische Stauchung und Strekkung vorzuziehen wäre, weil sie mit wesentlich
kleineren Kräften zu bewirken ist und daher die Stege und ihre Verankerungen weit
weniger beansprucht.
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Um nun eine unschädliche Biegung der zwischen den einzelnen Stegen
sich erstreckenden Bögen der äußeren Ringteile der Einlagen in radialer Richtung
zu ermöglichen, dabei aber ein schädliches Ausknicken oder Ausbeulen in axialer
Richtung trotzdem zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Kolben
der eingangs erwähnten Art mit dem äußeren Ringteil jeder Einlage zwischen je zwei
schwalbenschwanzförmigen Verankerungs-Stegen mindestens je einen Steg zu verbinden,
der in an sich bekannter Weise keine Hinterschneidungen aufweist und infolgedessen
in radialer Richtung verschiebbar ist und der sich vorzugsweise nur um wenige Millimeter
hinter den Nütengrund hinaus erstreckt.
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Zum Stand der Technik ist hier nachzutragen, daß Leichtmetallkolben
mit ausschließlich radiale, keine Hinterschneidungen aufweisende Stege tragenden
massiven Ringträgern bekannt sind. Dabei dienen die Stege lediglich als Sicherung
gegen Verdrehung des Ringträgers gegenüber dem Kolbenkörper und vermögen eine darüber
hinausgehende Wirkung nicht auszuüben. Der vorstehend erläuterte technische Fortschritt
beruht demgegenüber auf der wechselweisen Anordnung von radialen -Stegen mit und
ohne Hinterschneidungen bei der eingangs erwähnten, die Ringnutenflanken des Kolbens
nur teilweise bedekkenden Ringträger-Leichtbauart.
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Die Erfindung ist an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
beschrieben.
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F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch die bewehrte Nut eines erfindungsgemäßen
Kolbens; F i g. 2, 3 und 4 stellen Ausschnitte nach den Linien II-II, IH-III und
IV-IV in F i g. 1 dar; F i g. 5 zeigt in einem Ausschnitt entsprechend dem gemäß
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ringnutenbewehrung aus zwei aufeinanderliegenden
Einlagen gebildet ist, und F i g. 6 zeigt einen entsprechenden Ausschnitt aus einem
Kolben, bei dem nur die Oberflanke der ersten Ringnut durch eine Einlage bewehrt
ist.
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Nach den F i g: 1 bis 4 dient zur Bewehrung beider Flanken der obersten
Ringnut 1 eines Leichtmetallkolbens 2 eine im ganzen mit 3 bezeichnete Einlage,
die durch Umgießen in den Leichtmetallkolbenkörper eingebracht ist. Die Einlage
weist radiale schwalbenschwanzförmige Stege 31 auf, die -unter sich durch
zusammen
einen geschlossenen Ring bildende Bogenstücke 32 verbunden sind. Der Innendurchmesser
des durch diese Bogenstücke gebildeten Ringes ist größer als der Nutengrunddurchmesser
der Ringnut 1. Der Außendurchmesser ist zunächst wenig größer als der Durchmesser
des Kolbens z. Bei der Bearbeitung des Kolbens fällt jedoch der Teil zwischen
den Konturen 33 und 34 weg. Außenkontur ist dann die mit 34 bezeichnete Fläche,
welche mit dem äußeren Kolbenrand bündig ist. Zwischen den Stegen 31 sind
weitere radiale Stege 36 vorgesehen, die jedoch keine Hinterschneidungen aufweisen
und die sich auch nur um wenige Millimeter hinter den Nutengrund hinaus erstrecken.
Diese Stege lassen Verschiebungen in radialer Richtung zu, sie bilden jedoch, '
wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, Stützen, welche die nach dem Einstechen der Ringnut
1 durch diese voneinander getrennten Teile der Bogenstücke 32 in axialer
Richtung gegeneinander abstützen und die außerdem geeignet sind, bei der Bearbeitung
auftretende tangentiale Kräfte aufzunehmen.
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Bei der Herstellung geht man, wie schon gesagt, von einer Einlage
aus, deren Außenkontur der strichpunktierten Linie 33 entspricht. Diese Einlage
wird vorzugsweise in erwärmtem Zustand in der üblichen Weise in die nicht gezeigte
Kokille eingelegt und dort durch Umgießen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden. Beim
Erkalten des gegossenen Kolbens schwindet der Kolbenwerkstoff stärker als die Einlage.
Wegen der schwalbenschwanzartigen Verankerung nehmen die Stege 31 an diesem
stärkeren Schwindvorgang teil. Sie werden stärker radial nach innen gezogen, als
es der natürlichen Schwindung der Einlage entsprechen würde. Infolgedessen treten
in den Bogenteilen 32 Druckspannungen auf, die dazu führen, daß diese Bogenteile
sich unter relativer Verstärkung ihrer Krümmung in der in F i g. 1 durch die punktierte
Linie 37 angedeuteten Weise elastisch verformen.
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Die Verformung ist in F i g. 1 der Deutlichkeit halber übertrieben
dargestellt. Sie verstärkt sich noch etwas, wenn der Kolben bearbeitet wird, weil
dann durch den Wegfall der zwischen den Linien 33 und 34 liegenden Zone und
durch das Einstechen der Ringnut 1 der Querschnitt und damit der Verformungswiderstand
kleiner wird. Entsprechend klein wird dann auch der Reaktionsdruck auf die Verankerungsstege
31. Daß die Verformung in der gewünschten Richtung und nicht etwa durch Ausknicken
oder Ausbeulen in axialer Richtung erfolgt, ist durch die Stützwirkung der Stege
36 gewährleistet. Beim Wiedererwärmen des Kolbens auf Betriebstemperatur
bildet sich die gewollte Verformung der Bogenteile 32 wieder ganz oder teilweise
zurück, und zwar geschieht auch das ohne schädliche Beanspruchung der Verankerung
der Stege 31.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 unterscheidet sich von dem nach
den F i g. 1 bis 4 nur dadurch, @daß statt einer ungeteilten Einlage zwei sich gegeneinander
abstützende Einlagenstücke 3' und 3" mit entsprechenden Bogenteilen 32' und 32",
Stützstegen 36' und 36", und nicht gezeichneten Verankerungsstegen vorgesehen sind.
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Beim Beispiel nach F i g. 6 ist nur ein Einlagenteil 3' vorgesehen.
Die Unterflanke der Ringnut:. bleibt in diesem Falle unbewehrt.