DE2536992B2 - Gegossener aluminium-tauchkolben fuer verbrennungsmotoren mit gepressten bolzennabenbereichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, mit zur Vermeidung von Spaltbrüchen Bereichen gepreßten Materials, an den Lagerflächen der Bolzennaben.

Bei hochbelasteten Motoren, wie z. B. Dieselmotoren, können in den zum Kolbenboden gelegenen Lagerbereichen der Bolzennaben sogenannte Spalt- oder Nabenbrüche auftreten. Ihren Ausgangspunkt haben solche Nabenbrüche meist einige Millimeter von der Nabeninnenkante entfernt. Ihre Entstehungsursache ist im Zusammenwirken von Nabe und Bolzen zu suchen. Durch die Verformung des Bolzens und der Nabe können trotz zulässiger mittlerer rechnerischer Flächenpressung örtlich erheblich höhere Pressungen auftreten. Durch eine Bolzenabplattung bei höherer Belastung wird die Nabe zusätzlich auch noch verspannt. In Umfangsrichtung werden dadurch in der Auflagefläche hohe Zugspannungen hervorgerufen.

Zur Vermeidung der genannten Nabenbrüche wurden bereits zahlreiche Vorschläge zur konstruktiven Auslegung der Naben sowie zur richtigen Auswahl des Nabenwerkstoffes und dessen Verarbeitung gemacht. Insoweit sind auch seit langem die guten Eigenschaften eines Materials mit Preß- oder Schmiedegefüge hinsichtlich eines hohen Widerstandes gegen Nabenanrisse bekannt. Andererseits hat sich aber gezeigt, daß Schmiede- oder Preßgefüge einen geringeren Verschleißwiderstand als Gußgefüge haben; eine Armierung der Kolbenringnuten, bei gepreßten Kolben, z. B. durch Ringträger, jedoch herstellungsseitig nicht ganz unproblematisch ist.

Außerdem läßt sich bei Kolben mit Preß- oder Schmiedegefüge durch die aufgrund der Kolbenform meist in sehr engen Grenzen vorgegebene Knetrichtung nur schwer ein solcher Metallkornfaserverlauf erzielen, daß er zur Vermeidung von Anrissen tatsächlich positiv beitragen kanu.

So ist beispielsweise aus der DT-AS 21 30 736 ein geschmiedeter Kolben bekannt, bei dem die Wandungen, die die inneren Enden der Kolbenbol/enaugen begrenzen, konvergierend zum Kopfabschnitt hin geneigt sind, wobei in diese schrägen Wandungen im Bereich der Nabenbohrungen vom offenen Schaftende des Kolbenrohlings her Aussparungen eingepreßt werden. Diese Aussparungen enden dabei derart im zum Kolbenkopf gelegenen Bereich der Nabenbohrungen, daß in dem dortigen Abschnitt ein kreisförmiger ii, Umfangsrichtung der Nabenbohrung verlaufender Metallkornfaserverlauf erreicht wird. Dieser Kolben hat jedoch den Nachteil, daß auch die Kolbenlaufflächen aus dem hierfür nicht optimalen Schmiedegefüge bestehen.

Darüber hinaus sind auch Kolben mit Gußgefüge bekannt, bei denen allein die Nabenbohrungen im Lagerbereich gepreßt sind. Nach der DT-PS 11 84 570 wird zu diesem Zweck ein Stempel von außen in die Nabenbohrungen eingeführt und dabei Gußmaterial radial über den Bohrungsumfang am inneren Ende der Bohrung hinaus verdrängt. Im Gegensatz zu der auf einem zum Kolbeninneren gelegenen Teilbereich gepreßten Bolzennabe nach DT-AS 21 30 736 ist der hier erzielbare Metallkornfaserverlauf im Grunde nicht zur Erhöhung des Widerstandes gegen Nabenanrisse geeignet. Denn erreicht wird nur ein sich jeweils parallel zur Bohrung erstreckender Faserverlauf. Die Nabenanrisse verlaufen jedoch ebenfalls in dieser Richtung und können daher in ihrer Ausbildung und Ausbreitung nicht behindert werden.

Diesen Nachteil bei einem gegossenen Kolben mit gepreßten Nabenbereichen zu beheben, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Gelöst wird sie dadurch, daß das Material für die gepreßten Bereiche der Nabenbohrungen eine bereits vor seinem endgültigen Verbund mit dem übrigen Gußgefüge gepreßte Aluminiumlegierung ist. Die gepreßten und gegossenen Bereiche können insbesondere aus derselben Aluminiumlegierung bestehen.

Häufig ist es ausreichend, wenn lediglich Teilbereiche der Lagerfläche der Nabenbohrung aus dem erfindungsgemäß vorgepreßten Material bestehen. Diese Teilbereiche können z. B. einmal nur die zum Kolbenboden gerichteten oberen Lagerflächen sein oder vielfach auch hiervon nur die zum Kolbeninneren gelegenen Abschnitte.

Der Vorteil eines derart aufgebauten Kolbens liegt in erster Linie darin, daß das Pressen der entsprechenden Nabenbereiche außerhalb des Kolbens und damit unabhängig von dem angrenzenden Gußmaterial erfolgen kann. Dabei kann der Metallkornfaserverlauf auf einfache Weise so ausgerichtet werden, daß er bevorzugt nicht in Nabenrißrichtung zu liegen kommt. Der Faserverlauf wird daher am besten in Umfangsrichtung der Nabenbohrung gerichtet sein.

Nach einem Ausführungsbeispiel kann ein erfindungsgemäßer Kolben beispielsweise folgendermaßen aufgebaut sein:

Als Material soll eine eutektische Al-Si-Legierung dienen, aus der der Kolben im wesentlichen durch Gießen hergestellt wird. Die Naben sollen lediglich in ihren oberen Lagerbereichen und auch dort wiederum nur auf dem inneren Drittel der Bohrungslänge ein Preßgefüge aufweisen. Hergestellt soll das Preßgefüge dadurch werden, daß bereits vor dem Gießen des Kolbens aus dem gleichen Material eine zylindrische Schale mit einem Drittel des Nabenbohrungsumfanges mit aus dem Außenumfang herausragenden Verankerungselementen, wie z. B. Schwalbenschwänzen, aus der zu gießenden Legierung gepreßt wird. Beim Pressen muß darauf geachtet werden, daß sich ein Faserverlauf in Umfangsrichtung der Zylinderschale einstellt. Die Zylinderschale wird sodann in die Kolbengießform an derjenigen Stelle, an der im Nabenbereich ein Preßgefüge gewünscht wird, das ist der zum Kolbenkopf weisende obere Lagerbereich, eingelegt und mit

dem übrigen Kolbenmaterial umgössen, so daß es mit diesem fest verbunden ist.

Unter Verwendung desselben obengenannten Werkstoffes, nämlich einer Al-Si-Legierung mit 12 % Si, für das Guß- und Preßgefüge läßt sich durch einen rundum eingearbeiteten Preßgefügebereich beispielsweise eine Steigerung des Widerstandes gegen Nabenanrisse von etwa 15 % gegenüber einem Kolben aus diesem Material ohne Preßgefüge im Nabenbereich erzielen.

Bei Verwendung der übereutektischen Al-Si-Legierung mit 18 % Si beträgt die Widerstandssteigerung sogar über 20 %.

Verwendet man andererseits zur Erzeugung des Preßgefüges neben einer Al-Si-Legierung für das Gußgefüge des Kolbens eine Al-Cu-Legierung, so läßt sich der Widerstand gegenüber dem reinen Gußgefüge der Al-Si-Legierung sogar um bis zu 60 % steigern.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Aus einer Aluminiumlegierung gegossener Tauchkolben für Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, mit zur Vermeidung von Spaltbrüchen Bereichen gepreßten Materials an den Lagerflächen der Bolzennaben, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material eine bereits vor seinem endgültigen Verbund mit dem übrigen Gußgefüge gepreßte Aluminiumlegierung ist.

2. Gegossener Tauchkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material dieselbe Aluminiumlegierung ist wie das Material des gesamten Kolbens.

3. Gegossener Tauchkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkornfaserverlauf in dem gepreßten Material in Umfangsrichtung der Nabenbohrung gerichtet ist.