DE2405389A1 - Ringtraeger fuer leichtmetallkolben von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
• 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.
• 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.
• Patentanspruch

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Leichtmetallkolben für Verbl-enrlungskraftmaschinen mit im Ringfeld, vorzugsweise im Bereich der obersten Ringnute, eingegossenen in radialer Richtung mäanderförmig aufgelösten, aus gewöhnlichem Grauguß bestehenden Ringträgern, in die die Ringnuten eingearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der an seiner Oberfläche ganz oder teilweise unbearbeitete Ringträger über eine intermetallische Schicht der Zusammensetzung FexAly mit dem Leichtmetallkolben verbunden ist.

   L e e r s e i t e