DE19650930C2

DE19650930C2 - Kolben für Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19650930C2
Application number: DE19650930A
Authority: DE
Inventors: Gregor Mueller
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 1996-12-07
Filing date: 1996-12-07
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2016-12-08
Also published as: DE19650930A1

Description

Die Erfindung betrifft einen hochbelastbaren Kolben, insbesondere aus Leichtmetalllegierung, für eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einem eine Mulde aufweisenden Kolbenboden und einstückig mit dem Kolbenboden gefertigten Bolzennaben und mit wenigstens zwei separaten, voneinander beabstandeten, eingegossenen, von der Schmelze infiltrierten Formkörpern, wobei jeder Bolzennabe ein Formkörper zugeordnet ist.

Bei einem bekannten hochbelastbaren Kolben der vorstehend genannten Art wurde bereits vorgeschlagen, einen zur Verstärkung des Muldenrands ringscheibenförmigen Formkörper in den Kolbenboden einzugießen. Durch diese Maßnahme konnte das Auftreten von Muldenrandrissen bei hochbelasteten Kolben erheblich reduziert werden. Aufgrund der erheblich verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten einer Leichtmetalllegierung und eines keramischen Formkörpers erweist sich jedoch die Ausbildung bei Verwendung eines rotationssymmetrischen ringförmigen Formkörpers in den Übergangsbereichen zwischen Formkörper und Kolbenlegierung unter bestimmten Beanspruchungsverhältnissen als problematisch, da die im Kolbenboden auftretenden Zugspannungen eben nicht rotationssymmetrisch sind. Es wurde jedoch lange Zeit davon ausgegangen, dass gerade durch das Vorsehen einer rotationssymmetrischen Verstärkung die Stabilität des Kolbenbodens insgesamt erhöht werden kann.

Von der Anmelderin wurde mit der DE 42 29 071 A1 auch vorgeschlagen, im Bereich der Bolzennaben einen schalenförmigen Formkörper vorzusehen, welcher einen Teil der jeweiligen Bolzennabeninnenfläche bildet. Hierdurch wurde dieser stark beanspruchte Bereich des Kolbens wesentlich verstärkt.

In der DE DE 36 39 806 A1 ist ein Kolben gezeigt, welcher oberhalb der beiden Bolzennaben jeweils einen eingegossenen Formkörper zeigt, der sich von der Bolzennabe ein kurzes Stück in Richtung auf den dem Brennraum zugewandten Wandbereich des Kolbenbodens erstreckt, von diesem jedoch deutlich beabstandet bleibt.

Die DE 32 48 925 C2 offenbart einen Kolben mit einem kreiszylindrischen Einsetzteil, welches den gesamten Kolbenboden zwischen Brennraummulde und Bolzennabe bildet und in dem die gesamte Brennraummulde vollständig aufgenommen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hochbelastbaren Kolben der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die stark belasteten Bereiche des Kolbens wirksam verstärkt sind und dass unabhängig von den jeweils auftretenden Betriebsverhältnissen, insbesondere unabhängig von der Temperaturverteilung innerhalb des Kolbens, das Auftreten von Ermüdungserscheinungen sicher verhindert werden kann, ohne dass die Herstellbarkeit des Kolbens komplizierter und damit teurer wird als seither.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich der eingegossene Formkörper von einem Muldenrandbereich des Kolbenbodens im Wesentlichen in Kolbenlängsrichtung bis wenigstens zu der Bohrung der jeweiligen Bolzennabe erstreckt.

Hierdurch wird gewährleistet, dass im Bereich der höchstbelasteten Zonen, d. h. im Bereich des Muldenrandes oberhalb der Bolzennaben sowie im Bereich der Bolzennabeninnenflächen und der Nabenabstützung, eine wirksame Verstärkung erreicht ist, ohne dass im Kolbenboden und im Bereich der Naben separate Formkörper vorgesehen werden müssen. Dies würde die Herstellung des Kolbens erheblich komplizieren, da die Formkörper in irgendeiner Weise in der Gießform gehalten sowie separat gefertigt und bereitgestellt werden müssten. Es treten hierdurch auch weniger störende Übergänge zwischen Bereichen mit unterschiedlichem Ausdehnungskoeffizienten auf.

Es hat sich auch als hinreichend und für bestimmte Betriebsbedingungen sogar als vorteilhaft erwiesen, auf eine durchgehende rotationssymmetrische Muldenrandverstärkung zu verzichten, so dass sich der oder die Formkörper im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse, d. h. vom Kolbenboden bis wenigstens zu der Bohrung der jeweiligen Bolzennabe erstreckt.

Der Formkörper ist vorzugsweise ein aus keramischem Material, insbesondere Aluminiumoxid, bestehender infiltrierbarer Faserformkörper, dessen Fasern vorzugsweise in Umfangsrichtung des Kolbens oder tangential hierzu verlaufen. Dieser kann beim Eingießen quaderförmig mit vom Kolbenboden zur Bolzennabe verlaufender Mittelachse sein. Er kann aber auch die Form eines schiefwinkligen Parallelepipeds aufweisen oder pyramidenstumpfförmig sein. Dies kann sich je nach der Form der Nabenabstützung sowie der Abmessung der Bolzennabe als vorteilhaft erweisen. Wenn je nach der Bauart des Kolbens die Bolzennabenbohrung verhältnismäßig groß ist, so kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass ein pyramidenstumpfförmiger Formkörper so eingegossen wird, dass sein breiteres Ende im Bereich der Nabe und sein weniger breites Ende im Bereich des Kolbenbodens liegt. Bei kleinem Nabenbohrungsdurchmesser kann sich die umgekehrte Anordnung als vorteilhaft erweisen, um einen möglichst großen Umfangsabschnitt des Muldenrands zu verstärken. Bei einer trapezförmigen Abstützung der Nabe kann sich ein Formkörper in Form eines schiefwinkligen Parallelepipeds als vorteilhaft erweisen.

An dieser Stelle wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht notwendigerweise auf einen einteiligen Kolben beschränkt ist, sondern dass auch Pendelschaftkolben hiervon erfasst sein können, in welchem Fall der Formkörper sich innerhalb des Bolzenstuhls vom Kolbenboden zum Nabenbereich erstreckt.

Insbesondere bei Anwendung der Erfindung auf einen Ringträgerkolben kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Formkörper auf seiner der Ringpartie bzw. dem Kolbenmantel zugewandten radial äußeren Seite eine abgerundete Form aufweist, so dass eine Kollision des Formkörpers mit dem Ringträger verhindert und dennoch in Umfangsrichtung ein hinreichender Abschnitt des Muldenrands verstärkt werden kann.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Formkörper nicht nur bis zu der Bohrung der jeweiligen Bolzennabe, sondern bildet einen Umfangsabschnitt der Bolzennabenfläche. Hierfür kann der Formkörper beim Eingießen an seinem der Bolzennabe zugewandten Ende in Bolzenachsenrichtung gesehen eine Pinole oder einen Kern teilweise von oben umgreifen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Formkörper auf einem abgeflachten Abschnitt der Pinole abgestützt ist. Solchenfalls muss dann dieser in die vorgegossene Nabenöffnung ragende Teil des Formkörpers beim Ausbohren der Nabenöffnung entfernt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Formkörper beim Eingießen mit einem oder mehreren Eingussteilen, beispielsweise einem ringförmigen Salzkern oder einem Ringträger, in Tragverbindung ist. Dies bedeutet, dass der Formkörper in der Gießform fixiert ist und das Eingussteil innerhalb der Gießform trägt oder hält. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Formkörper von einem in anderer Weise gehaltenen Eingussteil, insbesondere von einem Ringträger, gehalten ist. Im ersten Fall wird eine bevorzugte Ausführungsform darin gesehen, dass der Formkörper randoffene Ausnehmungen aufweist, in denen ein Eingussteil unverlierbar gehalten ist. Bei dem Eingussteil kann es sich beispielsweise um einen ringförmigen Salzkern handeln, der zur Ausbildung eines Kühlkanals eingegossen wird. Der Salzkern kann dann in entsprechend seiner Form ausgebildete Ausnehmungen bei zwei im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse angeordneten Formkörpern eingeklipst werden, wobei die Formkörper eine Art Tragsäulen bilden.

Die Erfindung betrifft aber auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Kolbens nach den Ansprüchen 15 bis 18.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen sowie der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben in der Ebene von Kolbenlängsachse und Kolbenbolzenachse;

Fig. 2 einen senkrecht zur Kolbenbolzenachse verlaufenden Schnitt durch den Kolben nach Fig. 1;

Fig. 3 bis 6 perspektivische Ansichten verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäß ausgebildeter Formkörper; und

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines von zwei Formkörpern gehaltenen Salzkerns zur Ausbildung eines Kühlkanals.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen hochbelastbaren Kolben aus einer Aluminiumlegierung im noch unbearbeiteten Zustand unmittelbar nach dem Gießprozess. Der Kolben umfasst einen Kolbenboden 2. Mit dem Bezugszeichen 4 ist ein Gießboden der Gießform angedeutet. In unterbrochenen Linien angedeutet ist eine in spanabhebender Bearbeitung auszubildende Mulde 6. Einstückig mit dem Kolbenboden 2 und dem Ringfeld 8, in das auch ein Ringträger 10 eingegossen ist, führt der Kolbenmantel 12 zu trapezförmig abgestützten Naben 14.

In den Kolben eingegossen sind zwei aus mit Aluminiumlegierungsschmelze infiltriertem Aluminiumoxid bestehende Faserformkörper 16. Die Faserformkörper 16 haben prismatische oder quaderförmige Gestalt und erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse 18 und von dieser beabstandet vom Kolbenboden 2 bis zu den Bolzennaben 14 und ragen in das noch zu bearbeitende Bolzenloch 20 der Bolzennaben 14 hinein. Wie aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, sind die Faserformkörper 16 in dem angedeuteten Gießboden 4 aufgenommen und während des Gießprozesses innerhalb der Gießform gehalten. Sie stützen sich anderenends an einem abgeflachten Auflagebereich 22 einer Pinole 24 ab und müssen daher nach Entfernen der Pinole 24 auf den Bolzenlochdurchmesser abgetragen werden. Der Faserformkörper 16 kann auch, wie durch die unterbrochenen Linien 26 dargestellt ist, in radialer Richtung dicker sowie in Umfangsrichtung breiter ausgebildet sein, und zwar je nach den individuellen Verstärkungserfordernissen des jeweiligen Kolbens.

Durch Vorsehen der Faserformkörper 16 in der vorstehend beschriebenen Weise wird einerseits eine Verstärkung des Rands 28 der herzustellenden Mulde 6 in dem Bereich, wo die höchsten Zugspannungen beim Betrieb des Kolbens auftreten, erreicht. Andererseits wird unter Verwendung desselben Faserformkörpers 16 eine Verstärkung der Bolzennabe 14 in dem Bereich höchster Flächenpressung im Bolzenauge gewährleistet.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Formkörpern. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 umgreift der Formkörper 16a eine Pinole oder einen Kern während des Gießprozesses und ist auf einem abgeflachten Abschnitt der Pinole abstützbar, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt einen Formkörper 16b in der Form eines schiefwinkligen Parallelepipeds, der sich zur Herstellung eines Kolbens mit verhältnismäßig großem Muldenranddurchmesser und verhältnismäßig geringem Abstand der Bolzennabeninnenseiten voneinander als vorteilhaft erweist.

Fig. 5 zeigt einen nach radial außen abgerundeten Formkörper 16c, der sich insbesondere dann als vorteilhaft erweist, wenn ein Ringträger mit verhältnismäßig kleinem Innendurchmesser verwendet wird.

Fig. 6 zeigt einen pyramidenstumpfförmigen Formkörper 16d, der sich beispielsweise für Kolben mit einem verhältnismäßig großen Muldenhinterschnitt und verhältnismäßig geringem Abstand der Bolzennabeninnenseiten voneinander eignet. Es kann damit sichergestellt werden, dass der Muldenhinterschnitt vollständig innerhalb des infiltrierten Formkörpers verläuft und somit im Bereich des Muldenrands kein Übergang zwischen Formkörper und reinem Kolbenwerkstoff auftritt.

Schließlich zeigt Fig. 7 in schematischer Darstellung zwei im wesentlichen quaderförmige Formkörper 16e mit in der Figur angedeuteten randoffenen Ausnehmungen 30, in denen ein ringförmiger Salzkern 32 unverlierbar gehalten ist. Dieser Darstellung liegt der Gedanke zugrunde, die Formkörper 16e in einem nicht dargestellten Gießboden einer Gießform zu fixieren und den Salzkern 32, welcher zur Ausbildung eines Kühlkanals dient, während des Gießprozesses formschlüssig an den Formkörpern 16e zu halten.

Claims

1. Hochbelastbarer Kolben, insbesondere aus Leichtmetalllegierung, für eine Brennkraftmaschine mit direkter Einspritzung, mit einem eine Mulde (6) aufweisenden Kolbenboden (2) und einstückig mit dem Kolbenboden gefertigten Bolzennaben (14) und mit wenigstens zwei separaten, voneinander beabstandeten, eingegossenen, von der Schmelze infiltrierten Formkörpern (16), wobei jeder Bolzennabe ein Formkörper zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der eingegossene Formkörper (16) von einem Muldenrandbereich (28) des Kolbenbodens (2) im Wesentlichen in Kolbenlängsrichtung bis wenigstens zu der Bohrung (20) der jeweiligen Bolzennabe (14) erstreckt.

2. Hochbelastbarer Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) ein Faserformkörper ist.

3. Hochbelastbarer Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserformkörper (16) aus Al₂O₃ besteht.

4. Hochbelastbarer Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Formkörper (16) im wesentlichen parallel zur Kolbenlängsachse (18) erstreckt.

5. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16, 16a) beim Eingießen quaderförmig ist.

6. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16c) beim Eingießen die Form eines schiefwinkligen Parallelepipeds aufweist.

7. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16d) beim Eingießen pyramidenstumpfförmig ist.

8. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16c) auf seiner der Ringpartie bzw. dem Kolbenmantel (12) zugewandten radial äußeren Seite eine abgerundete Form aufweist.

9. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) einen Umfangsabschnitt der Bolzennabenfläche (20) bildet.

10. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16a) beim Eingießen an seinem der Bolzennabe zugewandten Ende in Bolzenachsenrichtung gesehen eine Pinole oder einen Kern teilweise von oben umgreift.

11. Hochbelastbarer Kolben nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16e) beim Eingießen mit einem oder mehreren Eingussteilen (32) in Tragverbindung ist.

12. Hochbelastbarer Kolben nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16e) randoffene Ausnehmungen (30) aufweist, in denen ein Eingussteil (32) unverlierbar gehalten ist.

13. Hochbelastbarer Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingussteil (32) ein, vorzugsweise ringförmiger, Salzkern ist.

14. Hochbelastbarer Kolben nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingußteil ein Ringträger ist.

15. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) an einem dem Kolbenboden zugewandten Gießboden (4) in der Gießform gehalten wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) an seiner der Nabe (14) zugewandten Seite abgeflacht ist und gegen eine abgeflachte Pinole (24) oder einen Kern abgestützt und gegen Drehen und Verschieben gesichert wird.

17. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (16) von einem Eingussteil in der Gießform gehalten wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper von einem Ringträger gehalten wird.