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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere Merkmale des Gegenstandes der Erfindung sind in den Ansprüchen
niedergelegt und werden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, die in der Zeichnung
dargestellt sind.
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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.
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Fig. 2 stellt einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig.l dar.
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Fig.) ist ein Schnitt nach der Linie III-III in Fig.2.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.