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Kolben für Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen
Kolben für Verbrennungskraft maschinen, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung
bestehend, mit auf dem Umfang des Kolbenschafts spanend aufgebrachten ausgerundeten
Ölschlepprillen, die ein sägezahnartiges Profil mit stumpfem Profilwinkel aufweisen.
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Beim Arbeitshub des Kolbens. in einer Verbrennungskraft maschine strömt
eine winzige Verbrennungsgasmenge zumindest an den oberen Verdichtungsringen vorbei.
Da die Verdichtungsringe im darauffolgenden Takt wieder mit der heißen oberen Zylinderpartie,
in der vorher die Verbrennung erfolgte, in Berührung kommen, ist die Schmierung
der oberen Verdichtungsringe ein kompliziertes Problem.
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Einerseits soll die Ringbestückung verhindern, daß Schmierstoff in
den Verbrennungsraum gelangt; andererseits muß dem obersten Verdichtungsring so
viel Schmierstoff zur Verfügung stehen, daß dieser - trotz der hohen Betriebstemperatur
- noch ausreichend geschmiert wird.
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Ausreichend geschmiert bedeutet: der oberste Ring darf weder Brandflecken
noch winzige Freßmarken bekommen und sein.Verschleiß soll - genau wie der Verschleiß
des Zylinders und Kolbens - in kleinsten Grenzen bleiben.
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Eine ausreichende Schmierung im Bereich der Ringpartie wird in erster
Linie durch die Ausbildung und Haftung
eines hydrodynamischen Schmierfilms
- auch unter spärlicher Schmierstoffzufuhr - zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn
beeinflußt.
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Damit sich ein hydrodynamischer Schmierfilm zwischen Kolbenschaft
und Zylinderlaufbahn ausbilden kann, wird seit einigen Jahren insbesondere der Kolbenschaft
mit einer spanend aufgebrachten Mindestoberflächenrauhigkeit, deren Rauhtiefe je
nach Motortyp im allgemeinen nicht unter 2 bis 6 Fi beträgt, versehen. Eine derartige
Oberflächenrauhigkeit begünstigt einerseits das Laufverhalten des Kolbens durch
Ausbildung eines Schmierfilms mit Hilfe des in den Rauhtiefen gespeicherten Schmierstoffs
und begrenzt andererseits den Verschleiß zwischen Kolben schaft und Zylinderlaufbahn.
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Zu diesem Zweck ist es beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
Sch 5976 Ia/46c1 bekannt, auf dem Umfang des Kolbenschafts sogenannte ÖIschlepprillen,
die ein halbkreis- oder bogenförmiges Profil besitzen, spanend aufzubringen. Beim
Einlaufen des Kolbens wird die Höhe des Profils wegen des größeren Verschleißes
zunächst stark abgetragen. Obwohl dieser Verschleiß mit zunehmendem Traganteil des
Profils begrenzt ist, nimmt die Freßempfindlichkeit des Kolbens zu, da sich infolge
der durch den Verschleiß verkleinerten Rauhtiefe nur noch relativ wenig. Schmierstoff
in den Ölschlepprillen.
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halten kann. Dadurch ist die Ausbildung eines auf dem gesamten Umfang
des Kolbenschafts hydrodynamischen Schmierfilms beim Auf- und Abwärtsgang des Kolbens
nicht immer sichergestellt.
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Bei einem Zweitaktmotor besteht die Schwierigkeit, den relativ geringen
aus dem Brennstoffgemisch stammenden Schmierstoffanteil zwischen Kolbenschaft und
Zylinderlaufbahn festzuhalten und in die Ringpartie des Kolbens hochzufördern, damit
sich auf dem Umfang des Kolbenschafts ein hydrodynamischer Schmierfilm aufbauen
kann.
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Aus der DT-PS 2 063 651 sind ferner auf dem Umfang des Kolbenschafts
angebrachte Ölschlepprillen mit unterschiedlich großen Flankenwinkeln und gegen
Null verlaufenden Ausrundungsradien bekannt, wobei der Profilwinkel der Ölschlepprillen
100 bis 1700, ihr kleinerer Flankenwinkel 0,5 bis 100 und ihre Tiefe 1 bis 20 pin
betragen.
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Durch einen derartig gestalteten Kolben wird beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschinen
ein gleichmäßig dicker Schmierfilm zwischen Kolben und der Zylinderlaufbahn erreicht,
so daß sowohl auf der Druck- wie auf der Gegendruckseite stets eine gleiche hydrodynamische
Druckausbildung im Schmierfilm gewährleistet ist und kein überflüssiger Schmierstoff
in den Verbrennungsraum gelangen kann.
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Um einen solchen Kolben in einem Aluminiumzylinder ohne eine Bewehrung
der Laufbahn verwenden zu können, bei dem die Primärsiliziumkristalle etwao;lbis
2 un gegenüber der> Aluminiummatrix hervorstehen und allein mit den Kolbenringen
und dem Kolbenschaft in Berührung kommen (DT-PS 1 521 939), hat man den Kolbenschaft
mit einer .10 bis 30 um dicken galvanisch aufgebrachten, eine Härte von 400 bis
450 HV aufweisenden Eisenschicht überzogen (MTZ 34 (1973) 2, S. 49 bis 51). Diese
Eisenschicht am Kolbenschaft ist notwendig, um vor allem bei extremen Motorbedingungen,
wie z.B. Kaltstart bei -3O0C und
Freßtests bei erhöhten Temperaturen,
eine einwandfreie Funktion der Kombination Kolben, Kolbenring und unbewehrter Zylinderlaufbahn
zu ermöglichen, und um sichzustellen, daß auf keinen Fall Aluminium des Zylinders
mit Aluminium des Kolbens in Berührung kommen kann.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei thermisch hoch beanspruchten Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Zwei-Takt-Motoren, die Änderung des Tragflächenanteils der sägezahnartigen
Profilierung der vorgenannten Eisenschicht aufgrund des Verschleißes im Motorbetrieb
so groß ist, daß dabei die Tiefe der Ölrillen merklich verringert wird, so daß in
den Ölschlepprillen nach dem Einlaufen des Kolbens nicht mehr eine für die Ausbildung
eines auf dem Umfang des Kolbens gleichmäßig dicken Schmierfilms erforderliche Schmierstoffmenge
gespeichert bleibt.
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Eine Lösung dieses Problems wird in der Weise erreicht, daß gemäß
der Erfindung der Kolbenschaft mit einer galvanisch aufgebrachten 1 bis 30 pin,,
vorzugsweise 10 bis 30 um, dicken Harteisenschicht mit einem nichtmetallischen Fremdstoffeinbau
von 0,5 bis 6 %, vorzugsweise 2 bis 5 56, überzogen wird. Die Dicke der Harteisenschicht
ist im wesentlichen von der Belastung des Kolbens abhängig.
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Die Fremdstoffe bestehen aus Metall-Oxiverbindungen, vorzugsweise
aus Oxichloriden. Die Härte der Eisenschicht steigt dadurch auf 600 bis 800 HV an.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, auch bei Kolben mit auf dem Umfang
des Schafts angebrachten halbkreis- oder bogenförmigen Ölschlepprillen die gleichen
Maßnahmen anzuwenden. Dabei hat sich jedoch gezeigt, daß infolge des vergleichsweise
geringen Tragflächenanteils hohe
Flächenpressungen auftreten, die
auf der Lauffläche des unbewehrten Aluminiuzzylinders Riefen und Fresser hervorrufen
sowie einen sehr hohen Einlaufverschleiß der Zylinderlauffläche bewirken.
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Es ist deshalb um so überraschender, daß die Kombination einer galvanisch
aufgebrachten, eingebaute Metall-Oxiverbindungen, vorzugsweise Oxichloride, aufweisenden
Harteisenschicht mit einem Kolben, dessen auf dem Umfang des Kolbenschafts befindlichen
Ölschlepprillen ein sägezahnartiges Profil mit stumpfem Profilwinkel aufweisen,
zur Lösung des anstehenden Problems führt.
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Bei einer Felderprobung von 500 h-ergab sich für den erfindungsgemäß
mit einer Harteisenschicht überzogenen Kolben ein vergleichsweise geringer Verschleiß
der Harteisenschicht am Kolbenschaft von 5 bis 10um. Im Gegensatz dazu betrug der
Verschleiß bei einem Kolben, der von einer Eisenschicht mit einer Härte von 450
HV überzogen war, 15 bis 30 Arm. Der erfindungsgemäß eine HarttsenbeBchichtung besitzende
Kolben zeigt ein sehr gutes Gleitverhalten und hat sich als außergewöhnlich freßsicher
erwiesen.
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Aus dem Forschungsbericht des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums
NRW Nr. 56 (1952), S. 23 bis 32, ist es zwar bekannt, Harteisenniederschläge mit
Fremdstoffeinbau auf Aluminiumlegierungen abzuscheiden, doch weiß man aufgrund der
durchgeführten Untersuchungen nur, daß die Harteisenniederschläge, die Oxide als
Fremdstoffe eingebaut haben, eine Härte aufweisen, die der des Hartchroms entspricht.
Solche Harteisenniederschläge sind einerseits zwar schlag-, stoß- und haftfest,
andererseits
lassen diese Eigenschaften- noch keine Aussage über
das technologische Verhalten der auf Leichtmetallkolben aufgebrachten Harteisenniederschläge
in Aluminiumzylindern mit unbewehrter Lauffläche zu, da eingelagerte Oxide einen
vergleichsweise hohen Verschleiß der ZylinderlauS-fläche bewirken. Die Härte kann
somit nicht als Maß für daS Verschleiß- und Gleitverhalten gelten; denn offenbar
besitzen die Harteisenniederschläge mit eingebauten Metall-Oxiverbindungen außer
der Härte, die den Oxide enthaltenden Harteisenniederschlägen entspricht, noch andere
Eigenschaften, die den Einfluß der Härte überdecken und ein optimales Gleit- und
Verschleißverhalten hervorrufen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird
im folgenden näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen in einem aus der Aluminiumlegierung
AlSi17Cu4 bestehenden Zylinder 1 mit unbewehrter Lauffläche angeordneten Kolben
2, der aus der Legierung AlSi12CuNiMg gegossen ist und dessen Schaft, wie der vergrößerte
Ausschnitt aus Fig. 2 zeigt, mit Ölschlepprillen 3 mit sägezahnartigem Profil, das
mit einer erfindungsgemäßen Harteisenschicht 4 mit 3 56 Fremdstoffeinbau überzogen
ist, versehen ist.
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Patentansprüche