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Ringträger für Leichtmetailkolben von Verbrennungskraftmaschinen
Gegenstand der Erfindung ist ein gegossener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen
mit im Ringfeld, vorzugsweise im Bereich der obersten Ringnute, angeordneten in
Umfangsrichtüng mäanderförmig aufgelösten aus gewöhn lichem Grauguß bestehenden
Ringträgern, in die die Ringnuten eingearbeitet sind.
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Bei manchen Brannkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, ergibt
sich aufgrund ihrer konstruktiven Gesamtauslegung oder des Arbeitsortes ein hoher
Verschleiß der Ringnuten, der zum.Bruch der Kolbenringe, insbesondere in der obersten
Ringnut, SWhrt. Dasselbe gilt auch, wenn die Temperaturen im Ringnutenbereich abnormal
hoch liegen, extreme Rückstände wie Ölkoks bildende Kraftstoffe gefahren werden,
das Kolbenspiel zu groß gewählt oder die Luftfilterung beispielsweise in staubreicher
Umgebung unzulänglich ist.
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In allen diesen Fällen empfiehlt sich der M.insatz von Ringträgern
beispielsweise aus den Werkstoffen Grauguß oder Stahl, die mit dem Kolben.vergossen
oder in diesen eingepreßt sind und in welche die erste und zuweilen auch die zweite
Kolbenringnute spanend eingearbeitet sind.* Der Kolbenring liegt auf diese Weise
in verschleißfestem Material eingebettet und ist gleichzeitig weniger hohen Temperaturen
ausgesetzt. Außerdem werden auch Ringträger
verwendet, um hohe Laufkilometer-Leistungen,
z.B. bei Dieselmotoren von über 300 000 km zu erreichen, Zu diesen Zwecken werden
gewöhnlich volle oder sogenannte "aufgelöste" Ringträger verwendet.
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Der einen vollen Querschnitt aufweisende Ringträger, dessen Erzeugende
der Deckflächen zum besseren Aufschrumpfen des Kolbenwerkstoffes sich gemäß der
FR-PS 1 178 744 in der Weise mit der Kolbenachse schneidet, daß der Abstand der
Schnittpurikte größer als die axiale Ringträgerhöhe des Außenmantels ist, besteht
in der Regel aus hochlegiertem austenitischen Sondergußeisen, z.B.
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Niresist, das aufgrund seines hohen Ausdehnungskoeffizienten von 19,3
+ 10 6 (cm/cm-°C) nach dem Erkalten des gegossenen Kolbenrohlings nur geringe ertragbare
Spannungen im Ringträger, im Kolbenwerkstoff und in der zwischen Ringträger und
Kolbenwerkstoff bestehenden intermetallischen Verbundschicht hinterläßt. Aufgrund
der fehlenden Elastizität eines vollen Ringträgers kommen als Ringträgerwcrkstoffe,
die den geforderten, dem Kolbenwerkstoff gleichen oder annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten
erreichen, in Betracht, wodurch vergleichsweise hohe Kosten verursacht werden. Ein
weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß der volle Ringträger nicht unbeträchtlich
das Gewicht des Leichtmetallkolbens erhöht.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile sind sogenannte aufgelöste mäanderförmig
gestaltete Ringträgerformen (DT-PS 1 059 712) entwickelt worden, die ein geringes
Gewicht, insbesondere im Hinblick auf schnelldrehende Motoren, aufweisen, eine hervorragende
Elastizität besitzen und beim Gießen des Kolbens auf mechanische Art und Weise mit
dem Kolbenwerkstoff verklammert werden.
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Die inneren und äußeren Ausnehmungen des Ringträgers schneiden sich
in ihrer radialen Tiefe, wobei die Weite der äußeren Ausnehmungen von außen nach
innen und die Weite der inneren Ausnehmungen von innen nach außen zunimmt.
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Die hohe Elastizität des aufgelösten Ringträgers erlaubt zwar, auf
einen hohen Ausdehnungskoeffizienten des Ring trägerwerkstoffs zu verzichten und
Stahl, Grauguß oder dglo preiswerte Werkstoffe zu verwenden, doch hat dieser aufgelöste
Ringträger den Nachteil, daß sich die spanende Bearbeitung der in Umfangsrichtung
der Kolbenringnute mit dem Kolben- und Ringträgerwerkstoff wechselnden Nutenflanken
sehr schwierig gestaltet, was ein wesentlicher Grund mit dafür ist, daß aufgelöste
Ringträger bisher nur in relativ geringem Umfang eingesetzt worden sind0 Bei der
spanenden Bearbeitung der Ringträge-r, insbesondere bei gestanzten Stahlblechringträgern,
rauhen die bei diesem Werkstoff auStretenden langen Bearbeitungsspäne, die zwischen
den Ringträgerstegen bestehenden Leichtmetallstege des Kolbenwerkstoffes an ihrer
Oberdläche unsulässig auft Bei Verwendung gegossener Ringträger sind die Bearbeitungsschwierigkeiten
im allgemeinen geringer, jedoch nicht befriedigend ausgeschaltet, da die Ringträgersegmente
durch Schrumpfung zwar eine feste aber keine schwingungs freie Verankerung im Kolbenwerkstoff
besitzen.
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In der DT-PS 1 042 956 ist ein Ringträger vorgeschlagen, bei welchem
in Umfangsrichtung die Segmente für die Bei wehrung der Nutenflanken von einer zur
anderen Nutenflanke fortlaufend wechseln, so daß sich demzufolge bei der spanenden
Bearbeitung derartiger Ringträger unzulässig wellige Ringnuten ergebene Ein wesentlicher
Nachteil, der den beiden vorgenannten
Ringträgerausführungsformen
gemeinsam ist, besteht darin, daß die Abdichtung der Kontaktflächen zwischen Kolben
und Ringträgerwerkstoff gegenüber den Verbrennungsgasen bisher nicht in befriedigender
Art und Weise gelöst werden konnte, da stets nach dem Erkalten des gegossenen Kolbenrohlings
oder durch den Einsatz des Kol.bens im Betrieb ein Frei schrumpfen zwischen Kolben
und Ringträgerwerkstoff erfolgt.
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Zur Beseitigung dieses Mangels ist in der DT-AS 1 948 750 ein aus
lamelliertem Grauguß bestehender Ringträger für Leichtmetallkolben vorgeschlagen
worden, bei dem der Abstand der Schnittpunkte der Erzeugenden der Deckflächen des
Ringträgers mit der Kolbenachse das 0,5- bis 2-fache der axialen Ringträgerhöhe
des Außenmantels beträgt und sich die Ebenen der axialen Seitenflächen der sich
nach außen erweiternden offenen Ausnehmungen des Ringträgers in einem radialen Abstand
von 0,1- bis 0,6-fachen, vorzugsweise des 0,2- bis 0,5-fachen, des Kolbenradius
von der Kolbenachse schneiden.
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Bei derartigen Kolben ist eine Bearbeitung mit optimaler Oberfläche
der Ringnutenflanken in Bezug auf Welligkeit erreicht. Die Kontaktflächen zwischen
Kolben- und Ringträgerwerkstoff ergeben aber immer noch höhere Durchtrittswerte
an Verbrennungsgasen gegenüber solchen Kolben, die einen sogenannten vollen Ringträger
besitzen.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den aus gewöhnlichem
Grauguß bestehenden mäanderförmig aufgelösten Ringträger im gegossenen Zustand,
d.h. mit ganz oder teilweise unbearbeiteter Oberfläche in den Leichtmetallkolben
einzugießen und die Bildung von Spalten
im Kontaktbereich Ringträger
und Kolbenwerkstoff zu vermeiden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß
eine Verbindung des Ringträgers über eine intermetallische Schicht der Zusammensetzung
Fe Al mit dem Leichtmetallkolben vorgesehen.
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Die intermetallische Schicht ist in der Regel 0,02 bis 0,03 mm dick.
Die Zugfestigkeit dieser Schicht beträgt etwa 8 bis 12 kp/mm², die Scherfestigkeit
4 bis 6 kp/mm².
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Bei richtiger Wahl der Wanddickenverhältnisse zwischen Grauguß und
Leichtmetall können die Beanspruchungen, die im Betrieb durch die stark unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten der verbundenen Werkstoffe0 z.Be für Leichtmetall
2X,5 + 10-6 (cm/cmOC) und für Grauguß 11,0 + 10-6 (cm/cm°C)¢ auftreten, mit Sicherheit
von der Bindungsschicht aufgenommen werden, so daß eile einwandfreie Verbindung
auch bei wechselnden Temperaturen gewährleistet ist. Die Verwendbarkeit dieser intermetallischen
Zwischenschicht ist bei erhöhten Temperaturen praktisch nur durch die Warmfestigkeit
der verwendeten Aluminiumlegierungen begrenzt.
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Zur Herstellung der intermetallischen Zwischenschicht wird der gereinigte
und entfettete aus Grauguß bestehende Ringträger mit einer Schmelze aus Aluminium
oder Aluminiumlegierungen kurzzeitig in Berührung gebracht, bis sich die intermetallische
Zwischenschicht, bei spielsweise der Zusammensetzung Fe2A13, gebildet hat. Anschließend
wird der so vorbehandelte Ringträger :in die Kolbenkokille eingesetzt und mit dem
Kolbenwerkstoff umgossen, Diese Zwischenschicht bildet einen steten Übergang zwischen
den beiden zu verbindenden Metallen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kolben mit einem
eingegossenen Ringträger, Fig. 2 ein Querschnitt durch den Kolben entlang der Linie
I - I der Fig. 1.
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In den aus einer Leichtmetallegierung, z.B. AlSi12CuMg, bestehenden
Kolben 1 ist ein auf seinem Umfang mäanderförmig aufgelöster, an seiner Oberfläche
unbearbeiteter, aus lamelliertem Grauguß bestehender Ringträger -2 mit Hilfe einer
intermetallischen Zwischenschicht 3 aus Fe2Al3 eingegossen, in den die Kolbenringnut
4 spanend eingearbeitet ist.
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Patentanspruch