DE2411840A1 - PISTONS FOR COMBUSTION ENGINES - Google Patents
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Associated Engineering France S.A., Chasseneuil-du-Poitou(France)Associated Engineering France S.A., Chasseneuil-du-Poitou (France)
Kolben für VerbrennungskraftmaschinenPistons for internal combustion engines
Die Erfindung bezieht sich auf Kolben für Verbiennungskraftmaschinen und auf Verfahren zur Herstellung derartiger Kolben. Insbesondere ist der erfindungsgemäße, hauptsächlich aus Aluminium bestehende Kolben geeignet für Dieselmotoren.The invention relates to pistons for connecting engines and to methods of making such pistons. In particular, the one according to the invention is mainly composed of aluminum Piston suitable for diesel engines.
Es ist bekannt, Kolben für Verbrennungskraftmaschine!! mit. Ringnuten zur Aufnahme von Kolbenringen auszustatten, wobei der Kolbenkopf in Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist und eine schwerwiegende Aonutzung insbesondere der dem Kopf am nächsten liegenden Ringnut in Folge Belastungen zu erwarten ist, die auf die Seiten der Nut durch den Ring ausgeübt werden, der in die Nut eingelegt ist, und zwar insbesondere die in Folge Massenkräften und in !Folge der hin und her gehenden Bewegung des Kolbens auftretenden Kräfte.It is known, pistons for internal combustion engines !! with. Ring grooves to accommodate piston rings, the piston head is exposed to elevated temperatures during operation and a serious one In particular, the use of the ring groove closest to the head is expected to result in loads being exerted on the sides of the groove are exerted by the ring that is inserted into the groove, in particular the inertial forces and consequent! the reciprocating movement of the piston occurring forces.
Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um diese Abnutzung zu vermindern, wobei insbesondere ein aus Stahl oder anderem widerstandsfähigem Material bestehender ringförmiger Einsatz in der Form vorgesehen wurde, und das Metall des Kolbens um diesen Einsatz herumgegossen wurde. Dabei wurde dann die Ringnut im Einsatzkörper spanabhebend hergestellt, so daß die Belastungen, denen die Nut durch den Kolbenring ausgesetzt wurde, von der widerstandsfähigen Oberfläche des Einsatzkörpers aufgenommen wurden. Es hat sich gezeigt, daß es schwierig ist, den Kolben zu prüfen um zu gewährleisten, daß die gesamte Oberfläche des Einsatzkörpers während desNumerous attempts have been made to alleviate this wear and tear to reduce, in particular an annular insert made of steel or other resistant material in the Shape was provided and the metal of the piston was poured around this insert. The ring groove was then in the insert body Machined so that the loads to which the groove was subjected by the piston ring, from the resistant Surface of the insert body were added. It has been found that it is difficult to test the piston to ensure that that the entire surface of the insert body during the
40 9839/073440 9839/0734
Gußvorganges mit dem Gußkörper verbunden wurde. Da außerdem die unterschiedlichen Werkstoffe für Einsatzkörper und Kolben, d.h. Stahl bzw. Aluminiumlegierung, unterschiedliche Wärmebehandlungen erfordern, um ihre optimalen Eigenschaften zu erhalten, bereitet die Wärmebehandlung des zusammengesetzten Gußkörpers Schwierigkeiten.Casting process was connected to the cast body. Since the different materials for the insert body and piston, i.e. steel or aluminum alloy, require different heat treatments in order to achieve their optimal properties obtained, the heat treatment of the composite cast body is difficult.
Gernäß einem Merkmal der Erfindung ist die Ringnut eines Kolbens wenigstens auf einer Seite mit einem Verstärkungskörper verstärkt, der am Kolbenkörper angeschweißt ist, wobei der Verstärkungskörper aus einem bezüglich Abnutzung widerstandsfähigem Material besteht, und mehrere Segmente um den Umrang des Kolbens herum aufweist.According to a feature of the invention is the annular groove of a piston reinforced at least on one side with a reinforcing body which is welded to the piston body, the reinforcing body made of a material resistant to wear, and several segments around the ring of the piston has around.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens in der Weise durchgeführt, daß ein KolDenkörper mit einer Kolbenringnut größerer Breite als zum Einsatz des Kolbenrings erforderlich, hergestellt wird, daß mehrere Verstärkungskörper aus bezüglich Abnutzung widerstandsfähigem Material hergestellt werden, von denen jeder die Gestalt eines Ringsegmentes besitzt, daß dann die Verstärkungskörper wenigstens an einer Seite der Kolbenringnut so angeschweißt werden, daß sie sich über den Umfang des Kolbens erstrecken, und daß schließlich die Verstärkungskörper spanabhebend bearbeitet werden, um die erforderliche Nutbreite zum Einsatz des Kolbenringes zu liefern.According to a further feature of the invention, a method for manufacturing a piston is carried out in such a way that a piston body with a piston ring groove larger than that required for inserting the piston ring is produced, that several reinforcing bodies are made of wear-resistant material, each of which the Has the shape of a ring segment that the reinforcing body is then welded to at least one side of the piston ring groove that they extend over the circumference of the piston, and that finally the reinforcing body by cutting machined to provide the groove width required for inserting the piston ring.
Vorzugsweise besteht der Kolben aus einer Aluminium-Legierung und das Verstärkungsmaterial besteht aus Stahl und vorzugsweise sind die Verstärkungskörper an einer oder beiden Sexten der Nut durch Elektronenstrahlverschweißung angebracht.Preferably the piston is made of an aluminum alloy and the reinforcing material is made of steel and preferably the reinforcement bodies are attached to one or both sixths of the groove by electron beam welding.
Nacnstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. In the drawing show:
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Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Kolbens gemäß der Erfindung;Fig. 1 is a partially cut-away view of a piston according to the invention;
Fig. 2 einen Längsschnitt eines Kolbenabschnitts im Bereich · einer Ringnut, die gemäß der Erfindung ausgebildet istj2 shows a longitudinal section of a piston section in the area of an annular groove formed according to the invention
Fig. 3 eine der Figur 2 entsprechende Schnittansicht einer zweiten Ausfuhrungsform;3 shows a sectional view corresponding to FIG second embodiment;
Fig. 4 einen Querschnitt, welcher verschiedene Formen von Verstärkungskörpern zeigt.Fig. 4 is a cross section showing various shapes of reinforcing bodies.
Figur 1 zeigt einen typischen Dieselmotorkolben mit mehreren Kolbenringnuten 11, die im Kolbenkörper 12 angeordnet sind, welcher aus einer Aluminiumlegierung besteht. Er kann z.B. aus einer Aluminium-Legierung bestehen, die 12$ Si, 1% Cu, 1% Mg und 1% Ni enthält. Die dem Brennraum am nächsten gelegene Nut HA ist der höchsten Beanspruchung und demgemäß der höchsten Abnutzung ausgesetzt, weil dort die höchsten Temperaturen herrschen und der Gasdruck am größten ist. Außerdem wird die Nut durch Massenkräfte belastet, die durch den Kolbenring, der in die Nut eingelegt ist, ausgeübt werden. Gemäß der Erfindung wird diese Nut durch Verstärkungskörper 1J> durch das unten beschriebene Verfahren verstärkt. Die Dicke der Verstärkungsteile 13 ist in Figur 1 übertrieben dargestellt.FIG. 1 shows a typical diesel engine piston with several piston ring grooves 11 which are arranged in the piston body 12, which consists of an aluminum alloy. It can for example consist of an aluminum alloy that contains 12 % Si, 1% Cu, 1% Mg and 1% Ni. The groove HA closest to the combustion chamber is exposed to the greatest stress and accordingly the greatest wear, because this is where the highest temperatures prevail and the gas pressure is greatest. In addition, the groove is loaded by inertia forces that are exerted by the piston ring that is inserted into the groove. According to the invention, this groove is reinforced by reinforcing body 1J> by the method described below. The thickness of the reinforcement parts 13 is shown exaggerated in FIG.
Gemäß Figur 2 ist der Kolbenkörper 12 und das Material der Verstärkungskörper I3 so ausgebildet, daß sie direkt aneinander geschweißtwerden können, wobei die Verstärkungskörper 13 Einschnitte 14 in der Seitenfläche 15 der Kolbenringnut HA eingesetzt und durch Elektronverschweißung l6 befestigt werden, wobei der Strahl im wesentlichen radial bezüglich des Kolbens gerichtet xvird.According to Figure 2, the piston body 12 and the material of the reinforcement body I3 is designed so that they are directly against one another can be welded, the reinforcing body 13 incisions 14 inserted in the side surface 15 of the piston ring groove HA and attached by electron welding l6, the jet being directed substantially radially with respect to the piston.
Im folgenden wird auf Figur 3 der Zeichnung Bezug genommen.Reference is made below to FIG. 3 of the drawing.
-A09839/07 3A-A09839 / 07 3A
Der Kolbenkörper 12 und das Material für die Verstärkungskörper 13 sind so gewählt, daß sie nicht direkt miteinander verschweißt werden können. Deshalb werden zunächst die Verstärkungskörper 13 auf einer Schicht 17 aus einem Material festgelegt, das am Kolbenkörper angeschweißt werden kann. Die Verbindung der Verstärkungskörper I3 mit den Schichtkörpern 17 kann entweder durch Plattierung, durch Walzen oder durch irgend ein anderes Verfahren erfolgen. Die Schicht 17 kann stattdessen auch durch Aufsprühen auf den Verstärkungskörpern I3 abgelagert werden. Die Verstärkungskörper werden dann mit den Scnichten 17 gegen die Seitenflächen 15 der Nut HA gelegt und die Schichten 17 werden durch Elektronenstrahlverschweißung wie bei 16 dargestellt, am Kolbenkörper 12 in der beschriebenen Weise angeschweißt. In diesem Fall wird ein Radius l8 vorzugsweise an jeder Ecke der Basis der Nut angebracht, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Abbrechen des Innenrandes der Verstärkungskörper 13 unter dem Einfluß heißer Brenngase zu verbessern. The piston body 12 and the material for the reinforcing body 13 are chosen so that they are not directly with one another can be welded. Therefore, the reinforcement body 13 is first placed on a layer 17 made of a material set that can be welded to the piston body. The connection of the reinforcement bodies I3 with the laminated bodies 17 can be done either by plating, by rolling, or by any other method. The layer 17 can instead also deposited by spraying on the reinforcing bodies I3 will. The reinforcement bodies are then placed with the layers 17 against the side surfaces 15 of the groove HA and the layers 17 are welded to the piston body 12 in the manner described by electron beam welding as shown at 16. In this case, a radius 18 is preferably made at each corner of the base of the groove for resistance to improve against a breaking off of the inner edge of the reinforcing body 13 under the influence of hot fuel gases.
Jede Seitenfläche 15 der Kolbenringnut ist vorzugsweise mit mehreren Verstärkungskörpern 13* z.B. mit acht Verstarkungskörpern ausgestattet, und diese können auf verschiedene Weise wie in Figur 4 dargestellt, miteinander verzahnt werden. Bei gegebener Ausbildung des Kolbens werden zweckmäßigerweise gleiche Verbindungen benutzt. Figur 4 zeigt nur verschiedene alternative Lösungen, die bei verschiedenen Kolben Anwendung finden können. Zum Beispiel kann die Verbindung zwischen den Teilen radial wie bei 19 dargestellt verlaufen, oder in diagonaler Richtung wie bei 20 dargestellt, oder es kann eine zungenförmige Nutverbindung 21 benutzt werden, oder es kann eine überlappte Verbindung 22 benutzt werden, oder es kann schließlich eine Abstufung gemäß 23 Anwendung finden.Each side surface 15 of the piston ring groove is preferably provided with several reinforcement bodies 13 *, e.g. with eight reinforcement bodies equipped, and these can be interlocked with one another in various ways as shown in FIG. at Given the design of the piston, the same connections are expediently used. Figure 4 only shows various alternatives Solutions that can be used with different flasks. For example, the connection between the parts can be radial like shown at 19, or in a diagonal direction as shown at 20, or it can be a tongue-shaped groove connection 21 can be used, or an overlapped connection 22 can be used, or finally a gradation can be used in accordance with 23 apply.
Wenn der Kolbenkörper aus einer Aluminiumlegierung besteht, können die Verstärkungskörper aus Stahl bestehen, aber wenn der Kolbenkörper aus Gußeisen besteht, sollten Verstärkungskörper aus noch widerstandsfähigerem Material benutzt werden, welches einer Abnutzung noch besser standhält.If the piston body is made of an aluminum alloy, the reinforcing bodies can be made of steel, but if the piston body is made of cast iron, reinforcement bodies made of even more resistant material should be used, which withstands wear and tear even better.
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Die Erfindung kann bei neuen Kolben angewandt werden, oder bei der Erneuerung von Kolben, bei denen die Nuten im Betrieb abgenutzt worden sind.The invention can be applied to new pistons, or to the renewal of pistons in which the grooves are in operation have been worn out.
Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 können die Verstärkungskörper aus Flußstahl bestehen (mit z.B. O,1% oder 0,3p % Kohlenstoffstahl). Diese Verstärkungskörper sind auf eine Aluminiumlegierungsschicht 17 aufgewalzt. Diese Aluminium-Legierung kann eine Legierung A-G5 sein, die nominell 5$ Mg und als Rest Aluminium enthält, oder es kann eine Legierung A-S12UN Verwendung'finden, die nominell 12$ Silizium, geringe Prozentsätze von Kupfer und Nickel und den Rest Aluminium enthält. Diese Aluminiumlegierungsschicht wird ihrerseits durch Elektronenstrahlverschweißung am Kolben 12 festgelegt, der aus der oben erwähnten 12$-igen Silizium-Aluminium-Legierung besteht,In one embodiment according to FIG 3, the reinforcing body are made of mild steel (for example, with O, 1% or 0,3p% carbon steel). These reinforcement bodies are rolled onto an aluminum alloy layer 17. This aluminum alloy can be an A-G5 alloy containing nominally $ 5 Mg and the balance aluminum, or an A-S12UN alloy containing nominally $ 12 silicon, small percentages of copper and nickel and the balance Contains aluminum. This aluminum alloy layer is in turn fixed by electron beam welding on the piston 12, which consists of the aforementioned 12 $ silicon-aluminum alloy,
Nachstehend werden Beispiele für Werkstoffe erläutert, die für die einzelnen Werkstücke Verwendung finden können.Examples of materials that can be used for the individual workpieces are explained below.
I. Werkstoffe für den Kolben 12I. Materials for the piston 12
Legierung A-S 12 UN (AFNOR) Nenn Zusammensetzung :- Silizium 12$Alloy A-S 12 UN (AFNOR) nominal composition: - silicon 12 $
Kupfer _ 1.2$Copper _ $ 1.2
Nickel 1$Nickel $ 1
Aluminium - RestAluminum - rest
Aluminiumaluminum
Beispiel 2. Legierung A-S 1OU (AFNOR) Nenn Zusammensetzung :- Silizium 10$Example 2. Alloy A-S 1OU (AFNOR) nominal composition: - Silicon $ 10
Kupfer 1$Copper $ 1
Magnesium) und Nickel)Spuren Magnesium) and nickel) traces
Restrest
409839/0734409839/0734
6 - 24118.6 - 24118.
Beispiel ^. Legierung A-U4NT (AFNOR) Nenn-Zusammensetzung :- Kupfer k% Example ^. Alloy A-U4NT (AFNOR) nominal composition: - copper k%
Nickel 2% Nickel 2%
Titan Q.1% Titanium Q.1%
Aluminium - RestAluminum - rest
(a) Eisenlegierungen, die nicht direkt an den Kolben angeschweißt werden können, sondern nur mittels einer Zwischenschicht gemäß Figur(a) Iron alloys that cannot be welded directly to the piston, but only by means of an intermediate layer according to FIG
Beispiel 1. XC^5 Stahl, d.h. O.J5^ Kohlenstoffstahl. Beispiel 2. XClO Stahl, d.h. 0.10$ Kohlenstoffstahl.Example 1. XC ^ 5 steel, i.e. O.J5 ^ carbon steel. Example 2. XClO steel, i.e. $ 0.10 carbon steel.
(b) Kupferlegierungen, die eoenfalls nicht direkt am Kolben angeschweißt werden können, sondern nur in Verbindung mit einer Zwischenschicht gernäß Figur 3(b) Copper alloys, which may not be directly can be welded to the piston, but only in connection with an intermediate layer according to Figure 3
Beispiel 1. Legierung UZ23A4Example 1. Alloy UZ23A4
Nenn-Zusammensetzung Zink 27)% Nominal composition zinc 27)%
Aluminium -jfo Aluminum -jfo
Nickel, )Nickel,)
Eisen, ) <· 2.5^Iron,) <2.5 ^
Mangan )Manganese)
Kupfer - RestCopper - rest
(e) Aluminium-Legierungen, die direkt am Kolben angeschweißt werden können(e) Aluminum alloys that can be welded directly to the piston
Beispiel : Legierung A-S22UNK (AFNOR) Nenn-ZusammensetzungExample: Alloy A-S22UNK (AFNOR) nominal composition
409839/07 3 A ./.409839/07 3 A ./.
III. Für die Zwischenschicht YJ, die zunächst an dem Eisenoder Kupier-Legierungskörper festgelegt wirdIII. For the intermediate layer YJ, which is first attached to the iron or copper alloy body
(a) Es kann irgend eine der Aluminiumlegierungen gemäß Beispiel 1, 2 oder 3 benutzt werden, die für den Kolben 12 Anwendung finden,(a) Any of the aluminum alloys according to Example 1, 2 or 3 can be used which are suitable for the Pistons 12 are used,
(b) Legierung A-G5 : 5% Magnesium, Rest Aluminium oder(b) Alloy A-G5: 5% magnesium, balance aluminum or
(c) Legierung A-G6 : 6% Magnesium, Rest Aluminium.(c) Alloy A-G6: 6% magnesium, balance aluminum.
Die in der Praxis wichtigsten Fälle sind die gemäß Figur 2, wobei Verstärkungskörper IJ aus einer Aluminium-Legierung A-S 22UNK (vgl. 2c oben) Verwendung fanden, die am Kolben 12 festgelegt waren, der aus einer Legierung A-S 12UN besteht (vgl. Beispiel 1 für den Kolben).The most important cases in practice are those according to FIG. 2, with reinforcement body IJ made of an aluminum alloy A-S 22UNK (see FIG. 2c above) were used, which were attached to the piston 12, which consists of an alloy A-S 12UN (See Example 1 for the piston).
In Bezug auf Figur j5 hat sich als wichtiges Ausführungsbeispiel ein solches ergeben, bei dem die Verstärkungskörper 13 aus Xc35 Stahl bestanden (vgl. 2(a) Beispiel 1 oben), wobei eine Schicht 17 aus AS 1OU benutzt wurde (vgl. Beispiel 2 für den Kolbenkörper oben) und der Kolben 12 aus A-S 12UN bestand (Beispiel 1 für den Kolben).With reference to Figure j5 has proven to be an important embodiment such a result in which the reinforcing body 13 from Xc35 steel passed (see 2 (a) Example 1 above), with a Layer 17 from AS 1OU was used (see example 2 for the Piston body above) and the piston 12 consisted of A-S 12UN (example 1 for the piston).
409839/0734409839/0734
Ansnrur-hf=?Ansnrur-hf =?
Claims (12)
dadurcn gekennzeichnet, daß die einzelnen Segmentabschnitte der Verstärkungskörper formschlüssig miteinander in Verbindung stehen.6. piston according to claims 1 to 5,
characterized in that the individual segment sections of the reinforcement bodies are connected to one another in a form-fitting manner.
dadurch gekennzei ohnet, daß der Kolben aus einer Aluminiumlegierung besteht, und daß die Verstärkungskörper aus Stahl bestehen.8. Piston according to Claims 1 to 7 >
characterized in that the piston is made of an aluminum alloy and that the reinforcing bodies are made of steel.
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