DE1913202A1

DE1913202A1 - Kolben und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1913202A1
Application number: DE19691913202
Authority: DE
Inventors: Catherall John Anthony
Original assignee: Associated Engineering Ltd
Current assignee: Associated Engineering Ltd
Priority date: 1968-03-15
Filing date: 1969-03-15
Publication date: 1969-10-02
Also published as: DE1913202C3; GB1321045A; DE1913202B2

Description

PATENTANWÄLTE

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEnI 913202

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

H. März 1969 Th.W/l·

Anmelder: Associated Engineering Limited,60 Kenilworth Road, Leamington Spa, Warwickshire,England

Kolben und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft Kolben und Verfahren zur Herstellung von Kolben.

Nach einem Merkmal der Erfindung weist der Kolben eine filamentartige bzw. faserartige Verstärkung mindestens im Bereich der oder ;Jeder Kolbenbolzenbohrung auf.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Kolben geschaffen, der eine faserartige Verstärkung aufweist, die vom Bereich der Kolbenkrone oder angrenzend an diesen Bereich bis zum Bereich der oder jeder Kolbenbolzenbohrung verläuft.

Diese Verstärkung kann kontinuierlich verlaufen und kann im allgemeinen U-förmig oder V-förmig ausgebildet sein. Andererseits kann die Verstärkungseinlage für den Kolben auch diskontinuierlich aufgebaut sein. Als Materialien für die faserartige Verstärkung kommen geeignete Metalldrähte in Frage, wie z.B.

cd Draht aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahldraht, Draht aus o.

Wolfram, Molybdän, Nickellegierungen oder Draht aus Beryllium. Andererseits kommen auch Fibermaterialien zum Einsatz, wie z.B. Fibern bzw. Fasern aus Asbest, Glas oder Kieselsäure. Draht aus rostfreiem Stahl kann verwendet werden, wenn der Kolbenkörper aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung besteht. Schwer schmel-

» LObedt (0451) 7 58 88, Privat: Dr. H. Wilden, Curau (04505) 210 · Dipl.-Ing. Th. Wllcken, LObect (0451) 2 51 5? — 2 —

Bank. Commerzbank A. G., Rl. Lübeck, Kto.-Nr. 39 0187 Pojtadieck, Hamburg 1381 19

zende Metalldrähte, wie ζ. B. solche aus Wolf ram und Molybdän,' werden dann verwendet, wenn der Kolbenkörper aus Stahl besteht.

Durch die Erfindung wird gleichfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens vorgeschlagen, welches sich dadurch kennzeichnet, daß eine faserartige Verstärkung auf einen Dorn ge- ... bracht wird, daß diese Verstärkung mit einem Material bedeckt wird, welches geeignet mit dem Kolbenkörper vereinigbar bzw. verbindbar ist, und daß einer oder mehrere sich hierbei ergebenden Verstärkungsaufbauten in den Kolben so eingebracht wird bzw. werden, daß sie mindestens im Bereich der oder jeder Kolbenbolzenbohrung verlaufen.

Es werden nunmehr einige Kolbenausführungsformen und das Verfahren zur Herstellung von Kolben anhand der anliegenden Zeichnungen erläutert, die u.a. einige Ausführungsbeispiele für Kolben darstellen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungeform für einen Kolben,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kolben nach Fig,i, und zwar in einer Schnittebene, die im rechten winkel zum Schnitt nach Fig. 1 liegt,

Fig. 3 einen Teil einer Herstellungsstufe für den Kolben nach den Figuren 1 und 2,

Fig. 4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles IV in Fig.

Fig. 5 eine gegenüber der Fig. 3 abgewandelte Ausführungsform und

Fig. 6 ... ·.:_■

bis 8 weitere Schnittdarstellungen von Kolben.

Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Kolben;-'besteht aus ^sin©R lolbenkrone 1, einem Kolbenmantel 2 und Kolbenbolzeaaugsn ,"%■$.-duirch -dip-; die Kolbenbolzenbohrung 4 verläuft. Der gezeigte ,Kolben ,ha^vdrei Ringnuten 5, und zwar z. B, zwei Dichtringnuten und ein® Abstreif-

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ringnut. In die Abstreif ringnut mündet ein Paar von quer und teilweise um den Umfang verlaufenden Schlitzen 6, wobei einer an jeder Seite der Kolbenbolzenachse 7 vorgesehen ist. Jeder der Schlitze 6 erstreckt sich über einen Bogen von etwa 100°. Es sind weiterhin Stützstege 8 vorgesehen, die jedes Kolbenbolzenauge 3 mit der Unterseite der Kolbenkrone 1 verbinden.

An jedem Ende jedes Schlitzes 6 ist ein längsverlaufender Schlitz 9 vorgesehen, der von der Krone zu einem Punkt, der in oder etwa in gleicher Höhe wie das Kolbenbolzenauge 3 liegt, und weiter parallel oder im wesentlichen parallel zum angrenzenden Steg 8 verläuft. Jeder Schlitz 9 hat an seinem von der Krone 1 entfernten Ende eine Erweiterung 10, deren Breite etwa doppelt so groß ist wie die des längsverlaufenden Schlitzes 9. Die Ränder der Schlitze 9 können durch nicht weiter dargestellte kurze seitliche Stege verstärkt werden, die sich von den Schlitzen ausgehend zu den Kolbenbolzenaugen erstrecken» Derartige Kolben sind beispielsweise im britischen Patent 946 733 im einzelnen beschrieben.

Es geht aus der Darstellung dieses Ausführungsbeispiels im einzelnen hervor, daß ein Paar Stege 8 und ein Teil des verbindenden Kolbenbolzenauges 3 eine V-Form mit abgerundeter Spitze bilden. Der Kolben besteht aus einer leichten !legierung, wie z. B. aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, und in den V-förmigen Teil ist eine filamentartige bzw. faserartige Verstärkung eingebaut, die aus Drähten 11 aus rostfreiem Stahl besteht^ .,welche vom Bereich der Krone 1 oder von einem in der Nähe der Krone 1 liegenden Bereich ausgehen und um die Kolbenbolzenbohrung verlaufen. Der gerade beschriebene Kolben wird auf folgende VeI- >

— 4" «·

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se hergestellt. Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, wird Draht 11 aus rostfreiem Stahl auf einen länglichen Dorn 12 aufgewickelt, dessen Querschnitt geeignet so gewählt wird, daß sich die gewünschte Form und Anordnung der Verstärkung ergibt, die in den verschiedenen Figuren dargestellt ist. Der Draht 11 wird dann entweder im Flammenspritzverfahren oder nach der Plasmaspritztechnik mit geschmolzenem Aluminium besprüht, so daß die Wicklung, wie bei 13 angedeutet ist,überdeckt bzw. abgedeckt und durch die Alüminiumbindung verbunden wird. Der so hergestellte

»Aufbau aus Draht und Aluminium wird daraufhin auf die erf orderliehe Länge geschnitten (s. Fig. 2 und 4) und wird dann unter Wärmeanwendung beispielsweise bei einem Druck von 0,82 to pro Quadratzentimeter und einer Temperatur von etwa 300° Celsius gepreßt, um jede Porösität zu vermeiden und um die gewünschte axiale Abmessung zu erzielen. Der Aufbau wird gleichfalls getrennt, wie durch die linie 14 gezeigt ist, damit die erforderliche V-Form entsteht. Nachdem der Aufbau vom Dorn entfernt ist, wird er vorzugsweise in den Kolben eingegossen, indem er in die Spritzgußform bzw. Gußform eingesetzt und eingebaut wird, bevor das Metall in die Form gegossen wird.

Andererseits könnten die Verstärkungsaufbauten auch so geformt werden, daß sie in passende Schlitze in den Seltenwandungen des Kolbengußstückes eingesetzt werden können, und zwar axid. zur Kolbenbolzenbohrung, worauf dann die Verstärkungsaufbauten durch Schweißung mit Elektronenstrahl mit dem Gußkörper verbunden werden können.

In beiden vorher erläuterten Fällen werden die Kolben dann nach dem Einsetzen des Verstärkungsaufbaues maschinell bearbeitet^ ,-

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um die Kolbenbolzenbohrung, die Ringnuten und die äußere Oberfläche des Kolbens herzustellen.

Es ist offensichtlich, daß die faserartige Verstärkung nicht unbedingt V-förmig ausgebildet zu sein braucht. Wenn beispielsweise die Stege 8 im wesentlichen tangential zum Durchmesser des Kolbenbolzenauges 3 verlaufen, wird die Verstärkung im wesentlichen U-förmig (Pig.5) ausgebildet und auf gleiche Weise hergestellt, wie vorher erläutert wurde.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten abgewandelten Ausführungsbeispiel verlaufen die Stege bzw. Stützstreben 8 etwa radial zum Kolbenbolzenauge 3. Für diesen Fall kann die Verstärkung in drei getrennten Abschnitten bei jedem Kolbenbolzenauge vorgenommen werden, wobei ein kreisförmiger Abschnitt 21A und zwei lineare Abschnitte 21B entstehen. Der kreisförmige Abschnitt 21A wird so hergestellt, wie gerade erläutert wurde, indem ein runder Dorn verwendet wird, während die linearen Abschnitte so erzeugt werden, daß anstelle eines Doms eine flache Plate verwendet wird, über welche die Drähte gestreckt bzw. gespannt werden. Die Abschnitte 21A und 21B können beispielsweise durch Elektronenetratflr· verschweiSung vereint werden, bevor der Einbau in den Kolben erfolgt. In einer anderen Anordnung können die Abschnitte 21B ohne den Abschnitt 21A verwendet werden und umgekehrt.

Die Fig. 7 zeigt vine weitere Ausführungsform eines Kolbens, die im wesentlichen der Ausführung nach Fig. 1 gleicht, Jedoch ist hier die faserartige Verstärkung 23 nur entlang der Läng· jedes Stüteategs 8 vorgesehen, und zwar von der Kolbenkrone ausgehend bis zu den sich gegenüberliegenden Seiten der Kolbenbolsen-

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bohrung 4. .

Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 8 ist die faserartige Verstärkung 24 der in Fig. 3 gezeigten ähnlich und so in den Kolbenkörper eingebaut, daß ihr oberer Teil sich durch die Unterseite der Kolbenkrone erstreckt. Die Seiten der Verstärkung verlaufen indbn bzw. durch die Stege 8, und der untere Verstärkungsteil läuft durch den unteren Teil der Kolbenbolzenaugen 3.

Die filamentartige Verstärkung kann bei einer weiter abgewandelten Ausführung so aussehen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, sie kann jedoch eine schlüssellochartige Form haben, wie diese Ansicht zeigt. Hit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die Drohte 11 um einen größeren Teil als die Hälfte des Umfangs des Kolbenbolzenauges verlaufen, beispielsweise also um einen Bogen ron 270°, worauf dann die Drähte wieder nach außen entlang den Linien der Stege 8 divergieren.

Anstatt den Verstärkungsaufbau durch Besprühen der faserartigen Verstärkung mit dem Bindematerial, wie z.B. eine Aluminiumle-* gierung, herzustellen, könnte dieser Aufbau auch beispielsweise dadurch entstehen, daß die Verstärkung mit einem Bindematerial in Pulverform umgeben wird und daß das Pulver gesintert wird oder daß die mit Aluminium ummantelten Drähte beispielsweise unter Wärmeanwendung zusammengepreßt werden, um das Aluminium zwecks Bildung des Bindemittels verschmelzen zu lassen.

Es ist verständlich, das in den Darstellungen gemäß den Figuren 2 und 4 die Fasern bzw. Fäden 11 kontinuierlich verlaufe». und nur deshalb gestrichelt dargestellt ISiM₈ w®Il si® auf der

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Oberfläche des Schnitts bzw. dieser Ansicht nicht sichtbar sind. Wenn eine faserartige Verstärkung in Form von Drähten verwendet wird, so wird die Verstärkung zumindest in jedem Abschnitt kontinuierlich verlaufen, während bei Verwendung von Fibern, die oftmals nur in kurzen Längen erhältlich sind, diese in Form einer Matte aus sich überlappenden und im allgemeinen ausgerichteten Fäden bzw. Fibern zur Anwendung gelangen.

Obwohl bei der Beschreibung der Ausführungsbeispiele gesagt wurde, daß ein Draht aus rostfreiem Stahl in Frage kommt, ist natürlich nicht ausgeschlossen, daß auch andere geeignete filamentartige bzw. faserartige Materialien in Frage kommen können. Außerdem braucht der Kolben nicht notwendig aus einer Leichtmetallegierung zu bestehen, da auch Kolben aus anderen Materialien gemäß der Erfindung aufgebaut werden können.

Die Erfindung kommt insbesondere bei solchen Kolben zur Anwendung, die Teilumfangsschlitze haben, wie die Schlitze 6,und die etwa im britischen Patent Nr. 946 733 im einzelnen beschrieben sind.

Claims

PATENTANWÄLTE

DR. HUGO WfLCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEnI 913202

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Anmelder: Associated Engineering Limited, 60 Kenilworth Road, Leamington Spa, Warwickshire,England

Patentansprüche

Kolben, gekennzeichnet durch eine mindestens im Bereich der oder jeder Kolbenbolzenbohrung vorgesehene filamentartige bzw. faserartige Verstärkung.
2. Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine faserartige Verstärkung vom Bereich der Kolbenkrone oder von einem Bereich neben der Kolbenkrone zu der oder jeder Kolbenbolzenbohrung erstreckt.
3· Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung um die oder jede Kolbenbolzenbohrung verläuft.
4. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die faserartige Verstärkung vom Bereich der Kolbenkrone oder einem Bereich neben der Kolbenkrone ausgeht und um mindestens den Teil der oder jeder Kolbenbolzenbohrung verläuft, der mit Altstand zur Kolbenkrone liegt.

ο
5. Kolben nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anspruch·,

co dadurch gekennzeichnet, daß sich die Verstärkung durch die ® Unterseite der Kolbenkrone erstreckt.

-*
6. Kolben nach einem oder mehreren der Anspruch· 1-5, dadurch

^m fek«nms«ichn«t, da£ Stütiet·!· vorgesehen sind, di· da·

* Ubsck (WSl) 7SIM, Prtvaf: Dr. H. Wllektn, Curou (04505) 2TO · Dipl.-Ιηβ. Th. Wlldwn, LOb.cfc (0451) J 51» tankt Commarzbank A. G., Rt. LOb.dt, Kto.-Nr. »01» Poitichtck: Homburg 1381 19

jedes Kolbenbolzenauge mit der Unterseite der Kolbenkrone verbinden und daß die Verstärkung durch jeden Steg verläuft.
7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die faserartige Verstärkung aus zwei oder mehreren getrennten Abschnitten zusammensetzt.
8. Kolben nach eines oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus einem oder mehreren Metalldrähten besteht.
9. Kolben nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung aus Fibern besteht.
10. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kot benkörper aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung besteht und daß die Verstärkung aus einem oder mehreren rostfreien Stahldrähten hergestellt ist.
11. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkörper aus Stahl und die faserartige Verstärkung aus einem oder mehreren schwer schmelzenden Metalldrähten, wie Wolfram- oder Molybdlndrähten besteht.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens» dadurch gekennseiohnet, daß eine faserartige Verstärkung auf einen Dorn gebracht wird, daß die Verstärkung mit einem Material überdeckt wird, welches mit dem Kolbenkörper verbindbar bsw. vereinigbar ist, und daß einer oder mehrer· der sich hierbei ergebenden Verstärkungsaufbauten in den Kolben so eingebaut bsw. eingebracht warden, daß sie mindestens im Bereich der oder jeder Kolbenbolzenbohrung verlaufen.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die faserartige Verstärkung aus einem oder mehreren Drähten zusammengestellt wird,die auf einem Dorn aufgewickelt und dann gemäß einem Flammenspritzverfahren oder gemäß einer Plasmaspritztechnik mit einem geschmolzenen Metall besprüht werden, das mit dem Korbenmetall Verbindbar ist, derart, daß die Windung oder Windungen durch das aufgesprühte Metall überdeckt und mit diesem Metall verbunden werden, und daß hierauf der Verstärkungsaufbau unter Wärmeanwendung gepreßt und erforderlichenfalls auf Länge geschnitten und vom Dorn entfernt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Verstärkungsaufbauten in eine Spritzgußfom oder andere Gußform eingesetzt werden, in welcher der Kolben gegossen werden soll, und daß der Kolben um den oder Jeden Verstärkungsaufbau herum gegossen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsaufbau oder mehrere Verstärkung«aufbauten in Schlitze des KolbengtafikOrpers eingesetzt und dann mittels Elektronenstrahl«! sit dem Gußkörper vereohweiSt wird bzw. werden.

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