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Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Kolben für Brennkraftmaschinen,
vorzugsweise Dieselmaschinen, mit einem im Kolbenboden mittig angeordneten Brennraum,
der am Kolbenboden von einem kreisringförmigen Einsatz aus einem Werkstoff höherer
Festigkeit als der Kolbenboden begrenzt wird.
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Motorenkolben gehören zu den am höchsten beanspruchten Bauteilen überhaupt,
wobei diese Beanspruchungen mechanische und/oder thermische Ursachen haben können.
Da auch die Temperaturgradienten in Verbindung mit zyklischer Beanspruchung durch
Verbrennungsdruck, Wärmeschock und Zentrifugalkräfte eine Rolle spielen, entsteht
insgesamt gesehen ein sehr komplexes System statisch dynamischer Beanspruchung.
Durch das Vorhandensein einer den Kolbenboden unterbrechenden Brennkammer werden
die Festigkeitsverhältnisse in diesem Bereich des Kolbens noch um einiges verwickelter.
So sind es denn auch die scharfkantigen Ränder des Brennraumes, die zuerst Rißbildung
und sonstige Anzeichen einer dauernden Überbeanspruchung aufweisen, die die Gebrauchsdauer
des ganzen Kolbens begrenzen. Der Rißbildung voraus gehen meist einzelne oder kombinierte
Einwirkungen von Temperaturwechselbeanspruchungen und thermischer Restspannung sowie
eine aus den Temperaturwechseln herrührende Werkstoffermüdung. In jedem Falle treten
Risse und sonstige Veränderungen der Oberfläche immer dann auf, wenn die thermische
Beanspruchung zu Spannungen führt, die Werkstoffestigkeit überschreitenden Brüche
des Kolbenbodens und auch des ganzen Kolbens gehen daher von der Zone höchster Beanspruchung
aus; das ist fast immer der bereits erwähnte obere Kantenbereich des Brennraumes.
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Bekanntlich treten in Bauteilen, die ständig wechselnden Temperaturbeanspruchungen
unterliegen, Ermüdungsrisse auf. Dabei spielt die Größe des Temperaturgradienten
die ausschlaggebende Rolle. Bei einem im allgemeinen aus einer Aluminiumlegierung
bestehenden Kolben, der von einer höheren Temperatur plötzlich abgekühlt wird, ruft
die dann in den Randzonen auftretende Zusammenziehung in den inneren Bereichen,
die ihre ursprüngliche Temperatur noch längere Zeit beibehalten, Druckspannungen
hervor. In einer übergangszone des Kolbenumfangs entstehen Zugspannungen, die sich
teilweise den Druckspannungen überlagern, so daß rechnerisch und tatsächlich nur
äußerst schwer erfaßbare resultierende Kräfte gegeben sind. Umgekehrte Verhältnisse
spielen sich ab, wenn nach dem Anlassen der Maschine ein kalter Kolben in verhältnismäßig
kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht wird. In diesem Falle erleiden die Randzonen
des Kolbens gegenüber den noch kälteren Innenzonen eine höhere Wärmedehnung, so
daß dann radial nach außen gerichtete Zugspannungen auftreten können. Wenn sich
die beschriebenen thermischen Zyklen im Laufe des Motorbetriebs häufig wiederholen,
wie es in Wirklichkeit der Fall ist, bilden diese Spannungswechsel die eigentliche
Ursache für die schließlich in Form von Oberflächenrissen sichtbar werdende Werkstoffzerstörung.
Der Zeitfaktor zeigt eine direkte Abhängigkeit vom Temperaturgradienten,
d. h. bei einem steilen Gradienten in beiden Richtungen kann die Werkstoffzerstörung
früher eintreten als bei einem flachen Gradienten. In seiner ungünstigen Form wird
dieser Zusammenhang als sogenannter Hitzeschock erkennbar, bei dem schon nach einer
kurzzeitigen Wechselbeanspruchung Werkstoffermüdung und damit Rißbildung eintreten
können. In diesem Zusammenhang werden einige besondere Werkstoffeigenschaften wie
thermische Leitfähigkeit, lineare Ausdehnung, Warmfestigkeit und Elastizitätsmodul
zu wichtigen Einflußgrößen.
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Mit der erfinderischen Aufgabestellung wird angestrebt, den beschriebenen
schädlichen Einflüssen durch eine geeignete Werkstoffwahl in Verbindung mit einer
bestmöglichen baulichen Gestaltung entgegenzuwirken. Die Maßnahmen der Erfindung
beziehen sich im vorliegenden Falle vorzugsweise auf eine Dieselmaschine mit Brennraum
im Kolben, für die eine solche Werkstoffzusammenstellung gewählt wurde, daß durch
Ausgleich der schädlichen Einflüsse die Gebrauchsdauer des Kolbens beträchtlich
verlängert wird. Im einzelnen sollen durch den vom ringförmigen Einsatz unterstützten
oberen Kolbenring Kompressionsverluste vermieden werden, wobei durch Wegfall örtlicher
überhitzungen die Beständigkeit gegen thermischen Schock zunimmt. Es gehört weiter
zur erfinderischen Aufgabenstellung, daß in bestimmten Richtungen auftretende Spannungen
durch Vorspannungen geeigneter Größenordnung mit umgekehrten Vorzeichen ganz oder
teilweise ausgeglichen werden. Auf diese Weise sollen z. B. im Bereich der Brennraumkante
nach außen gerichtete Zugspannungen angeglichen, d. h. durch entsprechende
Druckspannungen aufgehoben werden.
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Die Lösung nach der Erfindung sieht einen Kolben vor, dessen Einsatz
eine gegenüber dem Kolbenboden kleinere Wärmedehnung aufweist, wobei zwischen dem
Einsatz und dem Kolbenboden ein als Spannungssperre dienender, zylindrischer Ring
angeordnet ist, der aus einem hochfesten Werkstoff mit einer dem Kolbenboden entsprechenden
Wärmedehnung besteht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist um den kreisringförmigen
Einsatz mit jeweils warm aufgeschrumpftem Ring vorteilhafterweise der eigentliche
Kolbenkörper herumgegossen.
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Die zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen mehrteiligen
Kolben nach der Erfindung mit einem Brennraum im Kolbenboden, Fi g. 2 eine
Ansicht des Kolbens von oben in kleinerer Darstellung, F i g. 3 einen teilweisen
Längsschnitt durch einen Kolben des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Mit 10 ist ein Kolben für beispielsweise Dieselbetrieb bezeichnet,
für den Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Werkstoff verwendet wurde. Der
Kolben 10 besteht wie üblich aus einem Kolbenboden 11 und einem diesen
zylinderseitig fortsetzenden Kolbenschaft 12, der innen ein angegossenes Kolbenbolzenauge
13 sowie eine Bohrung 14 für den Kolbenbolzen selbst erkennen läßt. Zur Aufnahme
einer Anzahl von Kolbenringen trägt der Kolben 10
in seinem oberen Teil mehrere
Ringnuten 15, wobei für die obere Ringnut 15 ein besonderer Ringeinsatz
16 aus einem festeren Werkstoff, beispielsweise Stahl, eingelassen ist. Bekanntlich
unterliegt der obere Kolbenring den höchsten Beanspruchungen, so daß auch die Ringnut
15 hinreichend beständig sein muß, um Ko-mpressionsverluste durch einen nicht
genau passenden Kolbenring zu vermeiden. Die Oberfläche 17
des Kolbenbodens
ist mit einem kugelförmigen Brennraum
18 versehen, während
sich zwischen dem Kolben 10 und einem oberen ringförmigen Einsatz 22 eine
Passungsfläche 19 ergibt. Der Brennraum 18 ist zweiteilig ausgeführt,
wobei die obere Hälfte 21 Bestandteil des Einsatzes 22 ist. Für den Einsatz 22 eignet
sich ein hochfester Werkstoff. Gegebenenfalls kann auch hochwertiges Gußeisen verwendet
werden. In erster Linie sollte der Werkstoff für diesen Kolbenteil ein hohes Wärmeleitvermögen
haben, damit die Wärme wirksam abgeführt und eine örtliche überhitzung vermieden
werden kann. Es sollte ferner eine verhältnismäßig hohe Fließfestigkeit vorhanden
sein, sodann sollten die Kriechbeständigke,it und der Widerstand gegen Werkstoffermüdung
bei hohen Temperaturen ausreichend sein. Der Einsatz 22 findet nach unten seine
Fortsetzung in einem flanschartigen Ringfortsatz 24, für den eine entsprechende
Hinterdrehung im Kolbenoberteil vorhanden sein muß. Zwischen dem Einsatz 22 und
dem Kolbenboden 11 ist ein weiterer Ring 26 aus einem insbesondere
erhöhten Temperaturen beständigen Werkstoff eingesetzt worden. Es sollte ferner
eine gute Beständigkeit gegenüber thermischem Schock vorhanden sein. Aus den genannten
hohen mechanischen und thermischen Anforderungen folgt, daß für diesen Ring
26 entweder austenitischer oder martensitischer Stahl bzw. eine Nickellegierung
mit bestimmter thermischer Ausdehnung genommen wird. Die am Aufbau des Kolbens
10 beteiligten Werkstoffe, einschließlich des eingesetzten Einsatzes 22,
bedingen für den Ring 26 einen Werkstoff, dessen linearer Ausdehnungsbeiwert
größer ist als der entsprechende Beiwert des Kolbenwerkstoffs, und daß er ferner
mindestens gleich groß oder größer ist als der Ausdehnungsbeiwert des Einsatzes
22.
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Aus bestimmten Versuchen sowie aus allgemeiner Erfahrung ist bekannt,
daß bei einer erwarteten Beanspruchung in einer bestimmten Richtung durch Wahl einer
geeigneten Vorspannung mit umgekehrtem Vorzeichen in dem in Frage kommenden Verbundsystem
eine längere Gebrauchsdauer erreicht werden kann. Im vorliegenden Falle befindet
sich der Kantenbereich 23 des Brennraumes 18 des Kolbens
10 auf Grund seiner besonderen geometrischen Form und Lage unter der Einwirkung
höherer Beanspruchungen als jeder andere Teil des Kolbens 10 oder der ganzen
Maschine. Der Kantenbereich 23 des Brennraumes 18 ist radial gerichteten
Drücken ausgesetzt, wie sie durch die Verbrennungen im Brennraum 18 hervorgerufen
werden. Diese Drücke führen zu Umfangsbeanspruchungen, weshalb auch der Einsatz
22 unter Druckvorspannung gebracht wird, bevor man ihn in die Ausnehmung des Kolbenbodens
11
einsetzt. Auf diese Weise lassen sich die nach auswärts gerichteten Beanspruchungen
im Kantenbereich 23 größtenteils auffangen. Auch die thermisch ausgelösten
Beanspruchungen in diesem Kolbenbereich, wie sie z. B. bei plötzlicher Abkühlung
möglich sind, sind ausgesprochene Umfangsspannungen, die als Zugkräfte in Erscheinung
treten.
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Unter den Faktoren, die die Lebensdauer eines Dieselkolbens beeinflussen
können, stehen die thermisch hervorgerufenen Beanspruchungen an erster Stelle. Diese
sind weit kritischer als die durch Druck hervorgerufenen Spannungen, die von den
Verbrennun-en herrühren. Es ist daher äußerst wichtig, daß der Einsatz 22 eine Druckvorspannung
aufweist, wodurch thermisch ausgelöste Beanspruchungen aufgehoben werden.
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Über das System der Vorspannungen hinaus sind noch weitere Maßnahmen
vorgesehen, um die Gebrauchsdauer des Kolbens 10 zu verlängern. Eine dieser
Maßnahmen besteht darin, daß Werkstoffe mit unterschiedlichen Ausdehnungsbeiwerten
zusammengebaut werden, die die Nachteile thermisch bedingter Spannungen beheben.
So kann es z. B. im Betrieb vorkommen, daß der Kolbenboden 11 während einer
Vollgasfahrt eine bestimmte Höchsttemperatur annimmt. Wenn sich nun die Betriebsbedingungen
plötzlich ändern, z. B. bei einer Talfahrt im Leerlauf und im niedrigen Gang, gelangt
verhältnismäßig kalte Luft in den Zylinder, so daß auf den erhitzten Kolbenboden
11 eine Art Luftabschreckung einwirkt. Damit verbunden ist das Auftreten
eines verhältnismäßig steilen Temperaturgradienten, wenn nämlich die Kolbenbodenfläche
abgekühlt und das Kolbeninnere auf dem bisherigen Temperaturniveau verbleibt. In
dieser übergangsphase können selbstverständlich beträchtliche Zugspannungen in den
oberflächennahen Schichten des Kolbens 10 auftreten, besonders wo eine unmittelbare
Berührung mit der kühlen Luft stattfindet. Das sich abkühlende Metall zieht sich
naturgemäß zusammen, während die noch heiß bleibenden inneren Schichten sich dieser
Zusammenziehung entgegenstellen und so zu einem Ausgleich der Spannungen führen.
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In Kolben herkömmlicher Bauart, die also aus einem einheitlichen Werkstoff
bestehen, bilden sich sehr schnell Wärmerisse in radialer Richtung aus. Besonders
im Kantenbereich23 können diese Risse kritische Ausdehnungen annehmen. Diesem soll
durch Anordnung eines Ringes 26 vorgebeugt werden, dessen Ausdehnungsbeiwert
geringer ist als derjenige des übrigen Kolbenbodens 11. Wenn also die Kolbenbodenfläche
plötzlich abgekühlt wird und dabei der erwähnte steile Temperaturgradient auftritt,
sind in den abgekühlten Zonen unweigerlich kritische Spannungen vorhanden. Dabei
ist der außerhalb des Ringes 26 liegende Kolbenbodenbereich mehr beeinflußt
als dieser Ring 26 selbst. Wenn also die außerhalb des Ringes 26 liegenden
Kolbenteile sich zusammenziehen, müssen die Spannungen von dem Ring 26,
der
sich weniger ausdehnt, aufgenommen werden. Auf diese Weise wird ein großer Teil
der radialen Spannungen ausgeglichen und einer kritischen Rißbildung im Kolbenboden
11 vorgebeugt. Dies wirkt sich dahingehend aus, daß die innerhalb des Ringes
26 liegenden Kolbenteile gegen die äußeren Spannungen abgeschirmt werden.
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungsbeiwerte der Teile 22, 26 und
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wird also eine Wirkung erreicht, die die auf den Kolbenboden
11 wirkenden Beanspruchungen, größtenteils hervorgerufen durch die Verbrennungsdrücke,
insgesamt auf ein vertretbares Maß herabsetzt. Die Gebrauchsdauer eines solchen
Kolbens 10 wird dadurch erheblich verlängert. Um dieses Ziel zu erreichen,
stehen außer den genannten Werkstoffen noch zahlreiche andere zur Verfügung, die
für die genannten Kolbenteile verwendet werden könnten.
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Das zweite Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 unterscheidet
sich vom ersten Ausführungsbeispiel unter anderem dadurch, daß der Kolbenboden
11 a des Kolbens 10 a eine Oberfläche 17 a aufweist,
während auch in diesem Falle ein kugelförmiger Brennraum
18
a mit einem Ringspalt 19 a zur Aufnahme des Ringes 34 vorgesehen ist.
Die obere Hälfte 28 der Brennkammer ist wieder Bestandteil des eingesetzten
Einsatzes 27, wobei auch wieder eine ringförmige Kante 29 gebildet
wird. Abweichend von der ersten Ausführungsform sind hier mehrere sich nach außen
radial erstreckende Arme 31 vorgesehen, die integraler Bestandteil des Einsatzes
27 sind. An ihrem Umfang nehmen die Arme 31 streckenweise die obere
Ringnut 15 a auf. Der Ring 34 wird warm aufgeschrumpft, so
daß er dem Einsatz 27 unter Druck aufliegt. Der weitere Aufbau geht ähnlich
wie vorstehend beschrieben vonstatten, d. h. der restliche Kolben wird um
den Einsatz 27 mit dem aufgeschrumpften Ring 34 und den Arnien
31 herumgegossen. Die Schlußbearbeitung weicht von derjenigen des Kolbens
10 der ersten Ausführungsforin nicht ab.
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Bei der Herstellung des Kolbens 10 wird der Ring
26 auf den Einsatz 22 heiß aufgeschrumpft, so daß nach der Abkühlung eine
nach innen gerichtete Druckspannung übrigbleibt. Um diese beiden Teile wird dann
der übrige Kolbenkörper, bestehend aus Kolbenboden 11 und Kolbenschaft 12,
herumgegossen. Durch die abgeschrägte Kante 25 des Einsatzes 22 findet eine
feste Verbindung zwischen diesen beiden Kolbenteilen statt. Mit eingegossen wird
auch der obere Ringeinsatz 16. Da zwischen allen Teilen nach der Abkühlung
eine Art Preßverbindung besteht, ist später auch ein einwandfreier Wärmeübergang
gewährleistet. Nach dem Gießen wird der Kolben wie gewöhnlich spanabhebend fertig
bearbeitet, wozu auch das Eindrehen der drei unteren Ringnuten 15 gehört.