DE2533746A1

DE2533746A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2533746A1
Application number: DE19752533746
Authority: DE
Inventors: Egon Ing Grad Moelle; Fritz Dipl Ing Roesch
Original assignee: Alcan Aluminiumwerke GmbH
Current assignee: Novelis Deutschland GmbH
Priority date: 1975-07-28
Filing date: 1975-07-28
Publication date: 1977-02-03

Description

Alcan Aluminiumwerke GmbH in Göttingen Kolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Dieselmotoren, vorzugsweise aus Leichtmetall oder dessen Legierungen, mit in einer Nut des Kolbens angeordnetem Ringträger. Kolben mit Ringträgern, die zur Herabsetzung des Verschleißes in den Ringnuten dienen, sind als Stand der Technik bekannt und werden heute praktisch bei allen höher belasteten Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren eingesetzt. Die bekannten Ringträger bestehen vorzugsweise aus Niresist und werden nach dem Alfin-Verbundgußverfahren in die Kolbennut eingegossen. Diese bekannten Ringträger werden in den meisten Fällen den an sie gestellten mechanischen und thermischen Anforderungen gerecht. Jedoch ist ihre Fertigung sehr teuer, da das Alfin-Verbundgußverfahren relativ aufwendig und damit kostenintensiv ist und im Fertigungsablauf zu relativ hohen Ausschußquoten führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der eingangs genannten Gattung zu finden, bei dem die eben genannten Nachteile nicht vorhanden sind und der bei einfacher Formgebung die Herstellung des Ringträgers in einfacher und ausschußarmer Weise gestattet. Dies wird erfindungsgemäß bei einem Kolben der eingangs genannten Gattung dadurch erreicht, daß der Ringträger von einem ungeteilten Ring bzw. Rohrabschnitt gebildet wird, der aus einem verschleißfesterem Material als der Kolben besteht und in eine vorgegossene, vorgeschmiedete oder vorgearbeitete Nut des Kolbens derart eingeformt ist, daß er mindestens eine Rille für die Lagerung eines Kolbenringes aufnehmen kann. Dieser in die Kolbennut eingeformte Ring kann im Querschnitt derart U-förmig sein, daß er mit seiner Außenseite an die Nutwände allseitig dicht anliegt. Die Kolbennut kann von dem eingeformten Ringträger auch nur soweit gefüllt sein, daß lediglich die Nutoberfläche bedeckt ist. Der den Ringträger bildende, in die Kolbennut eingeformte Ring kann in dieser Nut festgelötet oder festgeklebt sein. Hierdurch wird ein thermisch hochbelastbarer Verbund zwischen dem als Verschleißschutz dienenden Ringträger und dem Kolben selbst hergestellt.
Im Vorstehenden und im Folgenden ist unter "Einformen" ein Eintreiben des den Ringträger bildenden vorgefertigten Ringes in die Kolbennut, beispielsweise durch Rollen, Walzen, Drücken oder durch eine andere Hochenergiematerialverformung zu verstehen, wobei das unter Formveränderung erfolgende Eintreiben des den Ringträger bildenden Ringes in die Kolbennut so erfolgt, daß der eingeformte Ring an den Nutwänden sich dicht anliegend anschmiegt. Ferner ist unter dem Begriff "Ring" auch ein Rohrabschnitt mit kurzer Axiallänge zu verstehen.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des vorgenannten erfindungsgemäßen Kolbens mit Ringträger, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Einformen des einteiligen, den Ringträger bildenden Ringes durch Rollen, Walzen, Drücken oder durch eine Hochenergiematerialverformung, wie beispielsweise Explosionsverformung oder Magnetverformung oder durch hydraulische Verformung erfolgt. Dabei kann zwischen der Kolbennut und dem Ringträger eine Dichtungsschicht dadurch eingebracht werden, daß nach dem Ein formen des Ringes Dichtungsmaterial auf die die Kolbennut aufweisende Seitenwand des Kolbens aufgebracht wird, welches mit Hilfe der dabei auftretenden Kapillarwirkung zwischen Kolbennut und Ring eindringt. Es ist aber auch möglich, den den Ringträger bildenden Ring vor seinem Ein formen auf seiner dem Kolben zugewandten Seite mit Polytetrafluoräthylen zu beschichten.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens mit verschiedenem Querschnitt der Kolbennut und des Ringträgers dargestellt, welche im folgenden näher beschrieben werden. Die dabei erläuterten Merkmale sind für die Erfindung von Bedeutung, so daß diese Merkmale auch dann unter Schutz gestellt sein sollen, wenn sie nicht in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben sind: Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens; Fig. 2 bis 7 zeigen in Teilaxialschnitten durch den Kolben verschiedene Querschnittsformen der Kolbennut und des in sie eingeformten Ringträgers; Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 1 Fig. 9 bis 14 zeigen unterschiedliche Querschnittsformen der Kolbennut und des eingeformten Ringträgers entsprechend der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform in gleicher Darstellungsweise wie Fig. 2 bis 7; Der in Fig. 1 dargestellte Kolben ist in der Nähe seines Kopfes mit einer sich über seinen gesamten Mantel ununterbrochen erstreckenden Kolbennut 2 versehen, die vorgegossen, vorgeschmiedet oder vorbearbeitet ist. In diese Kolbennut 2 ist ein ungeteilter Ringträger 3 aus einem verschleißfesten Material eingeformt, und zwar derart, daß er mindestens eine in unterbrochenen Linien dargestellte Rille 4 für die Lagerung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Kolbenringes aufnehmen kann. Das Einarbeiten der Rille 4 in den eingeformten Ringträger 3 kann auf beliebige bekannte Weise, beispielsweise durch spanabhebende Verformung erfolgen.
In Fig. 1 der Zeichnung ist auch das Einformen des Ringträgers 3 angedeutet. Der Ringträger besteht vor seinem Einformen aus einem vorgefertigten ununterteilten Ring 3', der größeren Innendurchmesser als der Kolben 1 hat und der zu seinem Einformen in die Kolbennut 2 unter einen radial nach innen auf ihn einwirkenden hohen Pressdruck gesetzt wird.
In Fig. 1 ist die dazu dienende Einrichtung mit 5 bezeichnet.
Das Einformen des Ringes in seine in Fig. 1 in der Kolbennut 2 befindliche Lage und Form kann beispielsweise durch Drücken, durch Hochenergie-Explosionsverformung, durch Hochenergie-Magnetverformung, durch hydraulische Verformung, aber auch durch Rollen oder Walzen erfolgen. Jedenfalls ist es erforderlich, daß dabei der vor seinem Einformen etwa rechteckigen Querschnitt aufweisende vorgefertigte Ring 3' die in Fig. 2 innerhalb der Kolbennut 2 gezeigte Lage und Form annimmt, in welcher er satt an der Nutwandung anliegend den gesamten Querschnitt der Kolbennut voll ausfüllt.
In Fig. 2 ist die in Fig. 1 gezeigte Querschnittsform der Kolbennut 2 und des eingeformten Ringträgers 3 nochmals in einem Teilschnitt durch den Kolben dargestellt. Die Kolbennut 2 besitzt dabei eine in Richtung zur Kolbenachse hin zunehmende Querschnittsbreite und einen ausgerundeten Nutboden. Dieser Querschnittsform ist der eingeformte Ringträger 3 genau angepaßt, so daß dieser absolut dicht an allen Seiten der Ringnut 2 anliegt.
In Fig. 3 ist eine Kolbennut 2 und ein darin eingeformter Ringträger 3 mit anderer Querschnittsform dargestellt.
Dieser Querschnitt unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 2 dadurch, daß der Boden der Kolbennut und damit die an diesem anliegende Außenfläche des Ringträgers 3 im wesentlich ebenflächig gehalten ist.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kolbennutquerschnitt im wesentlichen quadratisch. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Seitenwände der Kolbennut im Querschnitt gewellt, um dadurch ebenso wie durch die Querschnittsgestaltung gemäß Fig. 2 und 3 einen formschlüssigen Halt des Ringträgers 3 in der Kolbennut 2 zu gewährleisten.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt der Kolbennut 2 pilzförmig, so daß sich eie etwa stufenweise Verengung der Nutbreite im äußeren Querschnittsbereich der Nut ergibt. Auch hierdurch ist ein formschlüssiger Verbund zwischen dem eingeformten Ringträger 3 und der diesen aufnehmenden Kolbennut 2 gegeben. Die aus diesem eingeformten Ringträger herausarbeitbare, zur Aufnahme des Kolbenringes dienende Rille ist auch hier wie bei den anderen Figuren mit der Ziffer 4 bezeichnet.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt der Kolbennut und des in diesem eingeformten Ringträgers, bei welchem im Gegensatz zu demjenigen gemäß Fig. 3 nur eine Seitenwand der Nut und des Ringträgers geneigt ist, um der Nut und dem R ngträger eine zur Kolbenachse hin zunehmende Querschnittsbreite zu geben.
Bei dem in Fig. 8 der Zeichnung ausgeführten Darstellungsbeispiel wird der eingeformte Ringträger 3 von dem Abschnitt 6 eines relativ dünnwandigen Rohres gebildet, der mit Hilfe der Preßvorrichtung 7 in seine in Fig. 8 in der Kolbennut 2 befindliche Lage eingeformt ist. In diesem Falle bedeckt der Ringträger nur die Seiten- und Bodenwände der Kolbennut, füllt also den Querschnitt dieser Nut nicht vollkommen aus wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1, so daß sich die Rille 4 für die Aufnahme des Kolbenringes automatisch ergibt. An den beiden Längsseiten der Kolbennut sind am Kolbenmantel noch ringförmige Schutzauflagen 8 vorgesehen, die den Kolbenmantel beim Eintreiben des Rohrabschnitts 6 in die Kolbennut 2 vor Beschädigung schützen.
In den Fig. 9 bis 14 sind von der in Fig. 8 dargestellten Querschnittsform abweichende Querschnittsformen der Kolbennut und des eingeformten Ringträgers bei einer Ausbildung des Ringträgers aus einem Rohrabschnitt dargestellt.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 die Seitenwände der Kolbennut 2 bei abgerundetem Boden parallel zueinander verlaufen, erstrecken sie sich bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 9 schräg zueinander, und zwar derart, daß die Nutbreite in Richtung zur Kolbenachse zunimmt.
Das Ausführungsbeispiel gem.Fig. 10 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 9 lediglich dadurch, daß der Boden der Kolbennut und der an diesem angeschmiegte Teil des eingeformten Rohrabschnittes im wesentlichen eben sind, während sich das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 im gleichen Sinne von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 unterscheidet.
Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform sind die Seitenwände der Kolbennut 2 und die äußeren Seitenwände des eingeformten Ringträgers im Querschnitt gewellt, um dadurch einen formschlüssigen Verbund zwischen Ringträger und Kolben zu gewährleisten. Ein solcher formschlüssiger Verbund wird bei dem in Fig. 13 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Nutquerschnitt pilzförmig ist, während sich das in Fig. 14 dargestellte Ausführungsbeispiel von demjenigen gemäß Fig. 11 nur dadurch unterscheidet, daß die in der Zeichnung obere Seitenwand der Nut sowie der sich daran anschmiegende Querschnittsteil des Ringträgers 3 derart schräg verläuft, daß die Querschnittsbreite der Nut in Richtung zur Kolbenachse hin zunimmt.
Bei den in Fig. 8 bis 14 dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Herausarbeiten von Material zur Bildung der Rille 4 für die Aufnahme des Kolbenringes im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 7 nicht mehr notwendig.
Es ist lediglich eine Nachbearbeitung erforderlich.
Die Kolbennut kann für die Aufnahme des Ringträgers so tief gehalten sein, daß sie in ihrem tieferen Bereich auch als Kühlkanal dienen kann. In diesem Fall kann der den Ringträger bildende Ring in der Nut so eingeformt sein, daß er im Abstand vom Nutboden liegt und zwischen sich und dem Nutboden den Kühlkanal bildet, während er sich an den Nutseitenwänden dicht anschmiegt.

Claims

Patentansprüche

Kolben für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Diesel-¼J motoren, vorzugsweise aus Leichtmetall oder dessen Legierungen, mit in einer Nut des Kolbens angeordnetem Ringträger, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der aus einem ungeteilten Ring aus verschleißfesterem Material als der Kolben bestehende Ringträger (3) in die vorgegossene, vorgeschmiedete oder vorbearbeitete Nut (2) des Kolbens (1) derart eingeformt ist, daß er mindestens eine Rille (4) für die Lagerung eines Kolbenringes aufnehmen kann.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der eingeformte Ring die Kolbennut(»vollständig oder nahezu vollständig ausfüllt.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der den Ringträger (3) bildende Ring von einem Rohrabschnitt gebildet wird, der an die Nutwände sich anschmiegend im Querschnitt U-förmig verformt ist.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß seine Nut (2) von dem eingeformten Ringträger (3) nur soweit gefüllt ist, daß lediglich die Nutoberflächen bedeckt sind.
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß seine Nut (2) und der in dieser sitzende Ringträger (3) eine in Richtung zur Kolbenachse zunehmende Querschnittsbreite haben.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Seitenwände seiner Nut (2) im Nutquerschnitt gewellt sind und der Ringträger (3) in diese Wellung eingeformt ist.
7. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Ringträger (3) in die Kolbennut (2) eingelötet ist.
8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Ringträger (3) in die Kolbennut (2) eingeklebt ist.
9. Kolben nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß sich zwischen seiner Nut (2) und dem eingeformten Ringträger (3) eine Dichtungsschicht, z.B. aus einem temperaturbeständigen Imprägniermittel, aus Polytetrafluoräthylen oder dergleichen,befindet.
10. Kolben mit einem Kühlkanal nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kolbennut(2)für die Aufnahme des Ringträgers (3) so tief ist, daß sie in ihrem tieferen Bereich auch als Kühlkanal dienen kann, und daß der den Ringträger (3) bildende Ring in dieser Nut so eingeformt ist, daß er im Abstand von dem Nutboden liegt und sich an den Nutseitenwänden dicht anschmiegt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das Einformen des einteiligen, den Ringträger bildenden Ringes durch Rollen oder Walzen erfolgt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Einformen des den Ringträger bildenden Ringes durch Drücken erfolgt.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Einformen des den Ringträger bildenden Rings durch Hochenergie-Explosionsverformung erfolgt.
14. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Einformung des den Ringträger bildenden Ringes durch Hochenergie-Magnetverformung erfolgt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das Einformen des den Ringträger bildenden Ringes durch hydraulische Verformung erfolgt.
16. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dichtungsschicht zwischen Kolbennut und Ring durch nach dessen Einformen erfolgendes Aufbringen des Schichtmaterials auf die Kolbenwand (im Bereich des Ringes) mit Hilfe der dabei auftretenden Kapillarwirkung eingebracht wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der den Ringträger bildende Ring vor seinem Einformen auf seiner dem Kolben zugewandten Seite mit Polytetrafluoräthylen beschichtet wird.
18. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im Kolben der Kühlkanal in Höhe des Ringträgers vom Kolbenmantel her als Nut eingearbeitet wird und daß dann der den Ringträger bildende Ring in den äußeren Bereich dieser Nut eingeformt wird.