DE2015766A1 - Leichtmetallkolben - Google Patents

Leichtmetallkolben

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DE2015766A1
DE2015766A1 DE19702015766 DE2015766A DE2015766A1 DE 2015766 A1 DE2015766 A1 DE 2015766A1 DE 19702015766 DE19702015766 DE 19702015766 DE 2015766 A DE2015766 A DE 2015766A DE 2015766 A1 DE2015766 A1 DE 2015766A1
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DE
Germany
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piston
light metal
insert
ring groove
ring
Prior art date
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DE19702015766
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English (en)
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Rudolph North Caldwell N J Daub (V St A ) P
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Mahle GmbH
Original Assignee
Mahle GmbH
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Publication date
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Publication of DE2015766A1 publication Critical patent/DE2015766A1/de
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16JPISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12Details
    • F16J9/22Rings for preventing wear of grooves or like seatings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

  • L e i c h t mUe t~a~l 1 k o 1 b e Die Erfindung betrifft einen insbesondere für Brennkraftmaschinen bestimmten Leichtmetallkolben mit einer Kolbenringnut, von der mindestens eine Flanke durch eine eingegossene Einlage aus einem Metall mit größerer Warmfestigkeit, aber kleinerer Wärmeausdehnung als derjenigen des Leichtmetalls bewehrt ist, wobei diese Einlage durch einen mit dem äußeren Kolbenwand im wesentlichen bündigen Ring von geringerer radialer Breite als derjenigen des in die Kolbenringnut einzulegenden Kolbenrings gebildet ist, von dessen innerem Rand sich bis in den hinter der Kolbenringnut liegenden Teil des Leichtmetallkolbenkörpers hineinerstreckende Stege in radialer Richtung abstehen.
  • Bei einem aus der-deutschen Patentschrift 1 184 569 bekannt gewordenen derartiges Leichtmetallkolben sind die sich bis in den hinter der Kolbenringnut liegenden Teil des Leichtmetallkolbenkörpers hineinerstekkenden Stege zum Teil schwalbenschwanzförmig ausgebildet, um so eine sichere Verankerung der Einlage im Kolbenkörper zu gewährleisten. Die unterschiedliche Wärmeausdehnung wird in diesem Falle dadurch ausgeglichen, daß die zwischen den Verankerungsstegen sich erstrekkenden Bogenteile des mit dem äußeren Kolbenrand bündigen Ringteiles der Einlage sich beim Schrumpfen des Kolbens nach dem Gießen aufwölben, während beim Wiedererwärmen auf Betriebstemperatur die Aufwölbung wieder zurückgeht. Dies setzt die Verwendung eines biegsamen Einlagenwerkstoffes voraus, der teurer ist als z.B. gewöhnliches Gußeisen. Außerdem sind die bei der bekannten Bauart unvermeidlich auftretenden Spannungen unerwünscht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eisen Leichtmetallkolben der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten,daß die zur Bewehrung der Ringnutenflanke oder - flanken vorgesehene Einlage trotz ihres unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhaltens im wesentlichen frei von Druck-, Zug- oder Biegespannungen bleibt, sicher im Kolbenwerkstoff uerankert ist und mit einem Minimum an Materialaufwand die gefährdeten Teile der Ringnutenflanken gegen Zerstörung durch Verschleiß und Ausschlagen schützt.
  • Diese Aufgabe wird errindungsgemaß dadurch gelöst, daß sämtliche mit dem Kolbenwerkstoff in Berührung stehenden Flächen der Einlage hinterschneidungsfrei so ausebildet sind, daß die im wesentlichen radial verlaufenden Teile ihrer Begrenzungsflächen spaltfrei, vorzugsweise mit leichter Uberdeckung,am Kolbenwerkstoff anliegen.
  • Eine bei allen Betriebszuständen satte, aber vollkommen spannungsfreie gegenseitige Anlage wird dann erreicht, wenn man die Einlage so ausbildet, daß sie in radialer Richtung ausschließlich durch solche Flächenpaare begrenzet ist, die in Richtung auf die Kolbenlängsachse derart konvergieren, daß sich ihre Verlängerungen genau in der Kolbenlängsachse schneiden. Bevorzugt wird jedoch erfindungsgemäß eine etwas schwächere Konvergenz, die zur Folge hat, daß die Einlage und die sie umgebenden Teile des Kolbenkörpers in kaltem Zustand in geringfügigem Maße unter SchrumpRspannung stehen. Dabei ist jedoch dafür zu sorgen, daß die durch die auftretenden Spannungen verursachten Formänderungen in allen Betriebszuständen im elastischen Bereich bleiben. Das erreicht man durch eine solche Wahl der Konvergenz der erwähnten Flächenpaare, daß die von ihren Verlängerungen eingeschlossenen Winkel um höchstens 8 Winkelgrade kleiner sind als diejenigen Winkel, welche die betreffenden Flächen paare dann einschließen wUrden, wenn die Schnittpunkte ihrer Verlängerungen auf der Kolbenlängsachse längen.
  • Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen-Ausbildung eine gegenüber Einlagen, deren konvergierende Flächen sich genau in der Kolbenlängsachse schneiden, nur unbedeutende Behinderung der freien VJärmeausdehnung in Kauf genommen werden muß, daß aber darür die Gefahr-des Lokkerwerdens in sehr erheblichem Maße vermlndert ird.
  • Bei achsial niedrigeren Einlagen, insbesondere solchen, die nur zur Bewehrung einer einzigen Nutenflanke vorgesehen sind, kann man unbedenklich die mit dem Kolbenkörper in Berührung stehenden radialen Flächen der Einlagen auch planparallel ausbilden, wenn die gegenseitigen Abstände dieser Flächen weniger als ein Vierzehntel des Kolbendurchmessers betragen.
  • Weitere Merkmale des Gegenstandes der Erfindung sind in den Ansprüchen niedergelegt und werden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
  • Fig.1 zeigt ausschnittweise einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kolben, wobei in ausgezogenen Linien der Kolben im Fertigzustand dargestellt ist, während durch strichpunktierte Linien angedeutet ist, wie der Rohling aussieht, aus dem der. Kolben gefertigt wurde.
  • Fig. 2 stellt einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig.l dar.
  • Fig.) ist ein Schnitt nach der Linie III-III in Fig.2.
  • Fig. 4 stellt in ähnlicher Darstellungsweise wie Fig.3 einen Ausschnitt aus einem Kolben dar, bei dem beide Flanken der obersten Kolbenringnut durch eine Einlage bewehrt sind.
  • Fig.5 zeigt in gleicher Darstellungsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auch noch ein Teil des obersten Ringsteges, des sogenannten Feuersteges, durch die Einlage gebildet wird.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 - 3 besteht die im Ganzen mit lo bezeichnete Einlage aus einem flachen, ringförmigen Teil 11 mit radial nach innen vorspringenden Stegen 12. Eine solche Einlage kann z.B.
  • durch Ausstanzen aus Stahlblech hergestellt werden. Die Stirnflächen 13 und 14 der Einlage sind bei diesem Ausführungsbeispiel planparallel ausgebildet. Da die Sinlage achsial niedrig ist T ihre mit s bezeichnete öhe beträgt weniger als ein Zwanzigstel des Kolbendurchmessers -besteht zwischen der gewählten planparallelen und einer konvergierenden Ausbildung der Stirnflächen kein ins Gewicht fit ender Unterschied. Die seitlichen Begrenzungsflächen 15 der zwei untersten in Fig. 2 sichtbaren Stege 12 sind derart konvergierend dargestellt, daß sich ihre strichpunktiert eingezeichneten Verlängerungen in der Kolbenlängsachse schneiden. Da der gegenseitige Abstand s' dieser Begrenzungsflächen kleiner ist als der vierzehnte Teil des Kolbendurchmessérs kann man statt dessen auch -wie im oberen Teil der Fig. 2 dargestellt - die Stege 12 mit parallelen Begrenzungsflächen 15' ausstatten. Sie können selbstverständlich auch jede dazwischenliegende onizität aufweisen, auf keinen Fall dürfen sie aber so stark konvergieren, daß sich ihre Verlängerungen schon vor der Kolbenlängsachse schneiden würden, weil sonst das Leichtmetall des Kolbenkörpers 20 von den Stegen 12 wegschwinden und infolgedessen die Einlage 1o im Kolbenkörper lose werden würde.
  • Nach der Herstellung des Kolbenrohlings -(Fig.1) durch Umgießen der Einlage lo schwinden der Leichtmetallkolbenkörper 20 und die Einlage lo, die beim Umgießen Wärme aufgenommen hatte, infolge- ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnungsbeiwate verschieden stark. In radialer Richtung schrumpft das Leichtmetall von der Einlage weg, so daß sich hinter der inneren Umfangfläöhe des ringförmigen Einlageteiles 11 und hinter den Stegen 12 Schwindspalte 21 bis 22 ausbilden, die sich beim Wiedererwärmen des Kolbens auf Betriebstemperatur wieder teilweise schließen. Der Schwindspalt 21 wird überdies später durch d-en eingesetzten Kolbenring 30 (Fig.3) abgedeckt.An den Begrenzungsflächen 15 der Stege 12 gleitet der Leichtmetallkolbenkörper 20 beim Schwinden und ebenso beim Wiedererwärmen entlang ohne sich abzuheben oder festzuklemmen. Auf die zueinander parallelen Flächen 15' bzw. 13 und 14 schrumpft er beim Erkalten auf, jedoch ist der Schrumpfdruck wegen der geringen Wandstärke so klein, daß Relativverschiebungen infolge ungleichmäßiger Schrumpfung bzw. Wärmeausdehnung möglich bleiben, und zwar besonders dann, wenn man die Gleitfähigkeit durch Aufbringen einer Schicht aus Graphit, Molybdänsulfid oder dergleichen auf die betreffenden Flächen der Einlage verbessert. Der Leichtmetallkolbenkörper 20 und die Einlage lo bleiben daher in allen BetriebszustEnden im Wesentlichen spannungsfrei und sind trotzdem sowohl gegen achsiale Verschiebung als auch gegen Verdrehung gesichert. Auch bleibt eine einwandfreie Zentrierung der Stege 12 in jedem Betriebs zustand gewährleistet.
  • Will man beide Flanken einer Ringnut bewehren, so kann man das durch Anordnung einer zweiten Einlage lo (nicht dargestellt) erreichen, wobei esizweckmEßig ist, zwei aufeinanderliegende und z.B. durch Punktschweißungmiteinander verbundene Einlagen zu benützen.
  • Bcvorzugt wird jedoch in diesem Falle die Verwendung einer einstückigen, z.B. aus Grauguß bestehenden Einlage lo' gemäß Fig. 4, deren Stege 12' BUgel mit U-förmigem Querschnitt bilden, welche die im übrigen durch die eingstochene Ringnut 23 voneinander getrennten ringförmigen Teile 11' der Einlagen miteinander verbinden.
  • Bei dieser Ausführung wird ein schwach konvergierender Verlauf der Stirnflächen i3' und 14', wie dargestellt, bevorzugt, und zwar derart, daß der Winkel a, welchen die Verlängerungen der Stirnflächen 13',14' einschließenvum höchstens 8 Winkelgrade kleiner ist als der Winkel b, welchen die Flächenpaare 13',14' dann einschließen wUrden, wenn der Schnittpunkt ihrer Verlängerungen auf de8tolbenlängsachse läge.
  • Wie Fig. 5 zeigt, kann mit einer Einlage gemäß Fig.4 noch ein dünnwandiger Hülsenteil 16 verbunden sein, der dann einen Teil des von der Ringnut 23 bis zur Oberkante des Kolbens sich erstreckenden Feuersteges bildet, dessen Wärmeausdehnungsverhalten von demjenigen des Kolbenkörpers 20 unabhängig ist und der deshalb einen ctwas größeren Außendurchmesser erhalten kann als der aus Leichtmetall gebildete Teil des Feuersteges. Dies trägt wesentlich zur besseren Abdichtung des Verbrennungsraumes und zur thermischen Entlastung des obersten Kolbenringes bei.

Claims (6)

  1. P a t e
    /12eichtmetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit einer Kolbenringnut, von der mindestens eine Flanke durch eine eingegossene Einlage augeinem Metall mit größerer Warmfestigkeit aber kleinerer Wärmeausdehnung als derjenigen des Leichthetalls bewehrt ist, wobei diese Einlage durch einen mit dem äußeren Kolbenrand im wesentl$chen bündigen Ring von geringerer radialer Breite als derjenigen des in die Kolbenringnut einzulegenden Kolbenringes gebildet ist, von dessen innerem Rand sich bis in den hinter der Kolbenringnut liegenden Teil des Leichtmetallkolbenkörpers hinein erstreckende Stege in radialer Richtung abstehen,dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (lo,lo')hinterschneidungsfrei so ausgebildet ist, daß die im wesentlichen radial veiaufenden Teile ihrer Begrenzungsflächen spaltfrei, vorzugsweise mit leichter Uberdeckung, mit dem Kolbenwerkstoff in Berührung stehen.
  2. 2.Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (lo,lo') in radialer Richtung ausschließlich durch solche Flächenpaare (13',14' und 15) begrenzt ist, die in Richtung auf die Kolbenlängsachse konvergieren und zwar derart, daß die von ihren Verlängerungen eingeschlossene Winkel (a) um höchstens 8 Winkelgrade kleiner sind als die Winkel (b),welche die betreffenden Flächenpaare dann einschließen würden, wenn die Schnittpunkte ihrer Verlängerungen auf der Kolbenlängsachse liegen wUrden.
  3. 3.Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen die Einiage (lo,lo') in radialer Richtung begrenzenden Flächenpaare (13,14 und 15') zueinander parallel verlaufen, deren gegenseitiger Abstand (s-s') kleiner ist als ein Vierzehntel des Kolbendurchmessers.
  4. 4. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewehrung beider Flanken einer Kolbenringnut eine einteilige Einlage (lo') vorgesehen ist, die zwei mit dem äußeren Kolbenrand im wesentlichen bündige Ringteile (11') aufweist, welche in achsialer Richtung durch die Kolbenringnut (23) voneinander getrennt sind und unter sich ausschließlich durch radial nach innen vorspringende, bügelartige Stege (12') verbunden sind.
  5. 5.Leichtmetallkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einlage.(lo') ein sich in Richtung auf die Oberkante des Kolbenbodens erstreckender, aber vor dieser endender dünnwandiger Hülsentell(16) verbunden ist, dessen Außendurchmesser im wesentlichen demjenigen des Leichtmetallkolbenkdrpers entspricht.
  6. 6.Leichtmetallkolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des hlllsenfdrmigen Teiles (16) um wenige ehntel - Millimeter größer ist als der-Jenige des Leichtmetallkolbenkörpers.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0191243A2 (de) * 1985-01-11 1986-08-20 ASSOCIATED ENGINEERING ITALY S.p.A. Kolben
US4829883A (en) * 1985-01-11 1989-05-16 Associated Engineering Italy S.P.A. Pistons

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EP0191243A3 (de) * 1985-01-11 1987-01-14 ASSOCIATED ENGINEERING ITALY S.p.A. Kolben
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