DE2438548B2 - Kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben für Brennkraftmaschinen mit unbewehrten Zylindern aus einet übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung des Typs AlSiI7Cu4Mg, Wobei die Primärsiliziumkristalle etwa 0,1 bis 2 μίτι gegenüber der Aluminiummatrix vorstehen.

Beim Arbeitshub des Kolbens in einer Brennkraftmaschine 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 tin kompliziertes Problem.

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. 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. Eine ausreichende Schmierung im Bereich Jer Ringpartie wird in erster Linie durch die Ausbildung und Haftung eines hydrodynamischen Schmierfilms — auch unter spärlicher Schmierstoffzufuhr — zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn beeinflußt.

Damit sich ein hydrodynamischer Schmierfilm zwisehen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn ausbilden kann, wird seit einigen Jahren insbesondere der Kolbenschaft mit einer spanend aufgebrachten Min· destoberflächenrauhigkeit, deren Rauhtiefe je nach Motortyp im allgemeinen nicht unter 2 bis 6 μπι beträgt, versehen. Eine derartige Oberflächenrauhigkeit begünstigt einerseits das Laufverhalten des Kolbens durch Ausbildune eines Schmierfilms mit Hilfe des in den Rauhtiefen gespeicherten Schmierstoffs und begrenzt andererseits den Verschleiß zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn.

Zu diesem Zweck ist es aus der deutschen Patentanmeldung Sch 5976 la/46c' auch bekannt, auf dem Umfang des Kolbenschafts sogenannte ölschlepprillen, 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 ölschleppriilen halten kann. Dadurch ist die Ausbildung eines auf dem gesamten Umfang des Kolbenschafts hydrodynamischen Schmierfilms beim Auf- und Abwärtsgang des Kolbens nicht immer sichergestellt.

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 aufb. men kann.

Aus der DT-PS 20 63 651 sind deshalb auf dem Umfang des Kolbenschafts angebrachte ölschleppriilen mit unterschiedlich großen Flankenwinkeln und gegen Null verlaufenden Ausrundungsradien bekannt, wobei der Profilwinkel der ölschleppriilen 100 bis 170°, ihr kleinerer Flankenwinkel 0.5 bis 10° und ihre Tiefe 1 bis 20 μπι betragen. Mit Profilwinkel ist der Winkel zwischen den Flanken einer ölschlepprille und mit Flankenwinkel der Winkel zwischen einer Flanke einer ölschlepprille und der Zylinderlauffläche bezeichnet. Durch einen derartig gestalteten Kolben wird beim Betrieb der Brennkraftmaschinen 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.

Um einen solchen Kolben in einem Aluminiumzylinder ohne eine Bewehrung der Laufbahn, die nach dem Verfahren gemäß DT-PS 15 21 939 bearbeitet worden ist, verwenden zu können, bei dem die Primärsiliziumkristalle etwa 0,1 bis 2 μηι gegenüber der Aluminiummatrix hervorstehen und allein mit den Kolbenringen und dem Kolbenschaft in Berührung kommen, hat die Anmelderin den Kolbenschaft versuchsweise mit einer 10 bis 30 μιτι dicken galvanisch aufgebrachten, eine Härte von 400 bis 450 HV aufweisenden Eisenschichi überzogen. Diese Eisenschicht an Kolbenschaft ist gemäß MTZ 34 (1973) 2, S. 49 bis 51, notwendig, um vor allem bei extremen Motorbedingungen, wie z. B. Kaltstart bei -30⁰C und Freßtests bei erhöhten Temperaturen, eine einwandfreie Funktion der Kombination Kolben, Kolbenring und unbewehrter Zylinderlaufbahn zu ermöglichen und um sicherzustellen, daß auf keinen Fall Aluminium des Zylinders mit Aluminium des Kolbens in Berührung kommen kann.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei thermisch hoch beanspruchten Brennkraftmaschinen, insbesondere Zweitaktmotoren, die Änderung des Tragflächenanteils der sägezahnartigen Profilierung der vorgenannten Eisenschicht aufgrund des Verschleißes im Motorbe-

trieb 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 Schmierfüins erforderliche Schmierstoffmenge gespeichert bleibt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Beschichtung der sägezahnartigen Profilierung des Kolbens so auszuwählen, daß eine Änderung ihres Tragflächenanteils so gering wie möglich ist '°

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise erreicht, daß der in an sich bekannter Weise ein sägezahnartiges Profil mit Profilwinkeln von 100 bis 170° und unterschiedlich großen Flankenwinkein aufweisende Kolbenschaft mit einer galvanisch aufge- '5 brachten 1 bis 30 μπι, vorzugsweise 10 bis 30 μπι, dicken Harteisenschicht mit einem nichtmetallischen Fremdstoffeinbau von 0,5 bis 6%, vorzugswtise 2 bis 5%, überzogen ist. Die Dicke der Harteisenschicht ist im wesentlichen von der Belastung des Kolbens abhängig. *o

Die Fremdstoffe bestehen aus Metall-Oxiverbindungen, vorzugsweise aus Oxichloriden. Die Härte der Eisenschicht steigt dadurch auf 600 bis 800 HV an.

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 Aluminiumzylinders Riefen und Fresser hervorrufen sowie einen sehr hohen Einlaufverschleiß der Zylinderlauffläche bewirken.

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.

Bei einer Felderprobung von 50frh ergab sich für den erfindungsgemäß mit einer Harteisenschicht überzögenen Kolben ein vergleichsweise geringer Verschleiß der Harteisenschicht am Kolbenschaft von 5 bis 10 μπι.

Im Gegensatz dazu betrug der Verschleiß bei einem Kolben, der von einer Eisenschicht mit einer Härie von 450 HV überzogen war, 15 bis 30 μπι. Der erfindungsgemäß eine Harteisenschicht besitzende Kolben zeigt ein sehr gutes Gleitverhalten und hat sich als außergewöhnlich freßsicher erwiesen, so daß der hohe Tragflächenanteil erhalten bleibt.

Aus dem Forschungsbericht des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums NRW Nr. 56 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 Zylinderlauffläche 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.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen in einem aus der Aluminiumlegierung AlSil7Cu4 bestehenden Zylinder 1 mit unbewehrter Lauffläche angeordneten Kolben 2, der aus der Legierung AlSi 12CuNiMg gegossen ist und dessen Schaft, wie der vergrößerte Ausschnitt aus F i g. 2 zeigt, mit ölschlepprillen 3 mit sägezahnartigem Profil, das mit einer erfindungsgemäßen Harteisenschicht 4 mit 3% Fremdstoffeinbau überzogen ist, versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   . 1. Aus einer Aluminiumlegierung bestehender Kolben für Brennkraftmaschinen mit unbewehrten Zylindern aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung AlSiI 7Cu4Mg, wobei die Primärsiliziumkristalle etwa 0,1 bis 2μπι gegenüber der Matrix vorstehen, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer 1 bis 30 μπι dicken galvanisch aufgebrachten Harteisenschicht (4), in die 0,5 bis 0,6% Metall-Oxiverbindungen als Fremdstoff eingebaut sind, überzogene Kolbenschaft (1) in an sich bekannter Weise ein sägezahnartiges Profil mit Profilwinkeln von 100 bis 170° und unterschiedlich großen Flaiikenwinkeln aufweist, wobei die kleineren Flankenwinkel 0,5 bis 10° und die Tiefe des Profils 1 bis 20 jun betragen.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft mit einer 10 bis 30 μΐη dicken Harteisenschicht (4) überzogen ist.
3. 3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der eingebauten Metall-Oxiverbindungen 2 bis 5% beträgt.
4. 4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Oxiverbindungen aus Oxichloriden bestehen.