DE2736815C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 1.

In der DE-AS 10 83 084 ist ein Metallkolben mit einem Keramikeinsatz im Kolbenkopf offenbart. Hierbei ist im Kolbenkopf brennraumseitig eine zentrale, zylindrische Ausnehmung vorgesehen, in der zuunterst der Keramikein­ satz eingesetzt ist, der wiederum durch ein ringförmiges Schraubteil befestigt ist, das in der Ausnehmung koaxial zu dem Keramikeinsatz eingeschraubt ist und dagegen zur Anlage kommt. Mit dieser Befestigungskonstruktion für den Einsatz ist es nicht möglich, den Einsatz bei Betriebs­ temperaturen dauerhaft zu befestigen. Da der Keramikein­ satz ein sprödes Material ist und daher leicht bricht, kann er einer äußersten, unmittelbar einwirkenden Einspann­ kraft durch Schraubwirkung nicht widerstehen, so daß die axiale Einspannkraft begrenzt ist. Infolgedessen und auf­ grund der unterschiedlichen Wärmedehnungen des Einsatzes und des übrigen Kolbenmaterials verringert sich die Ein­ spannkraft bei Betriebstemperaturen des Kolbens erheblich und insbesondere bei sehr hohen Kolbenbetriebstemperaturen, z. B. bei modernen Hochleistungsmotoren, tritt deshalb oft ein Lockerwerden des Keramikeinsatzes ein, der dadurch beträchtlichen Erschütterungen ausgesetzt ist, so daß er meistens zerbricht.

Die CH-PS 2 44 427 zeigt einen Kolben für Verbrennungsmoto­ ren, dessen leichtmetallener Kolbenkörper von einem hül­ senförmigen Kolbenringträger eingefaßt ist, wobei der Kol­ benboden durch eine keramische Isolierschicht abgedeckt ist, die brennraumseitig zusätzlich noch durch ein hitze­ beständiges Blech abgedeckt ist. Isolierschicht und Blech sind dabei durch den Kolbenringträger mit dem übrigen Kol­ benkörper verbunden. Da das Blech in seiner radialen Aus­ dehnung bei Betriebstemperaturen nicht behindert sein soll und darf, um seine Beulung zu verhindern, darf das Blech und damit auch die keramische Isolierschicht praktisch keiner axialen Einspannkraft zwischen dem Kolbenkörper und dem nach innen vorspringenden Oberrand des Kolbenringträ­ gers unterliegen. Ein Bruch der somit locker sitzenden keramischen Schicht ist daher bei Kolbenbetriebstempera­ turen in aller Regel nicht zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung eines Kolbens der einleitend angeführten Art dahingehend, daß der Keramikeinsatz bei Betriebstemperaturen des Kolbens dauerhaft sicher im übrigen Kolben befestigt ist.

Die Lösung der Aufgabe geht von dem einleitend angeführ­ ten Kolben aus und ist durch die Kennzeichenmerkmale des Patentanspruches 1 verwirklicht.

Weitere Lösungsmerkmale sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Durch diese Lösung kann der Keramikeinsatz im kalten Zu­ stand des Kolbens einer gewünschten Vorspannung unterwor­ fen werden, die auch im Betriebszustand des Kolbens bei dessen hohen und sehr hohen Mitteltemperaturen noch einen so großen Wert hat, daß der Keramikeinsatz dauerhaft si­ cher in dem übrigen Kolben festgelegt ist. Es wird also die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Einsatz und dem übrigen Kolben kompensiert durch die dem Feder­ element immanente, große Federkraft, die wahlweise ein­ stellbar ist. Darüber hinaus hat die Verwendung des Feder­ elementes den Vorteil, daß das Befestigen des Keramikein­ satzes in dem übrigen Kolben ohne Beschädigung des Ein­ satzes erfolgen kann, da eine direkte Reibung zwischen dem Einsatz und dem jeweiligen Befestigungsbauteil wegen des dazwischen befindlichen Federelementes nicht mehr ge­ geben ist. Des weiteren ist die vorgeschlagene Lösung ein­ fach im Aufbau und dementsprechend kostengünstig durchzu­ führen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand mehrerer in den an­ liegenden Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen ersten axialen Längsschnitt durch einen Kolben für Brennkraftmaschinen,

Fig. 2 einen zweiten axialen Längsschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Teilschnitt in vergrößertem Maßstab des Kolbens nach den Fig. 1 und 2 und in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 4 einen weiteren, der Fig. 3 entsprechenden Teilschnitt in einer abgeänderten Ausführungs­ form,

Fig. 5 einen noch weiteren Teilschnitt des Kolbens in vergrößertem Maßstab und in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 6 einen axialen Längsschnitt durch einen Kolben mit alternativer Befestigung eines Keramik­ einsatzes an einem Kolben.

Der Kolben nach den Fig. 1 und 2 umfaßt einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Metallkörper mit einem Kolbenschaft 10, der wiederum mit einem Kolbenbolzennaben­ paar 11 versehen ist. Der Metallkörper weist an seinem Oberende eine integrale Querwandung mit einer umfangsmä­ ßig abgestuften, ebenen Auflagefläche 12 auf. Der zentrale Teil des Kolbenkopfes ist aus einem Keramikeinsatz ein­ zeln gebildet, der z. B. aus Siliziumnitrid besteht und mit einer Brennraummulde 14 versehen ist sowie einen Falz 15 an seinem oberen Umfangsende aufweist. Der Einsatz 13 ist, im Radialschnitt betrachtet, kreisförmig ausgebil­ det und konzentrisch zum übrigen Kolbenkörper angeordnet. Der Keramikeinsatz kann z. B. auch aus Siliziumkarbid, aus Sialon, aus Glaskeramik oder anderen Keramiken bestehen, vorausgesetzt, daß sie die Eigenschaften einer hohen Fe­ stigkeit gegen Wärmeschock und für hohe Betriebstemperaturen geeignet sind.

Der Einsatz 13 ist durch eine Hülse 16 mit dem unteren Kolbenkörper verbunden, die einen einwärts gerich­ teten Ringflansch 17 besitzt, der in den Falz 15 eingreift. Die Hülse 16 ist an ihrem Unterende 16 a mit einem Innengewinde versehen, das mit einem Außengewinde des Fal­ zes 12 a am Kolbenkörper im Umfangsbereich der als Auflage für den Keramikeinsatz 13 dienenden Fläche 12 in Eingriff steht.

Die Hülse 16 bildet eine aufrechte Fortsetzung des Kolbenschaftes 10 und ist mit Ringnuten zur Aufnahme und Lagerung der üblichen Kolbenringe (nicht gezeigt) verse­ hen. Der Körper 16 bildet auf diese Weise einen Kolben­ ringträger.

Beim Zusammensetzen des Kolbens wird die Hülse 16 auf den Metallkörper des Kolbens geschraubt. Die Hülse 16 kann vor der Montage mit einem zinnenartigen Oberende 18 (strichpunktiert dargestellt) versehen sein, um sein Festschrauben mit dem unteren Kolbenkörper zu erleichtern, wobei der zinnenartige Oberbereich nach dem Festschrauben maschinell entfernt wird. Die Hülse, die durch ei­ nen Gewindestift 19 gegen Verdrehung gesichert ist, und der Flansch 17, welch letzterer in diesem Fall mit dem Hülsenkörper zusammenhängend ausgebildet ist, bestehen vorzugsweise aus Gußeisen oder Stahl.

Gemäß Fig. 3 ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein axialer Ringraum zwischen dem Umfangsfalz 15 am Keramik­ einsatz 13 und dem Flansch 17 der Hülsen 16 ausge­ bildet ist und daß in diesem Ringraum ein in axialer Rich­ tung wirkendes Federelement 17 a, z. B. eine Federscheibe vom Belleville-Typ (Tellerfeder), die grundsätzlich konus­ stumpfförmige Gestalt aufweist, vorgesehen ist. Hierdurch wird eine Axialkraft erzeugt, die den Keramikeinsatz 13 in Position hält, wenn sich das Metall des Kolbens im Betrieb aufgrund der Erwärmung ausdehnt. Eine solche Fe­ derscheibe ist mit 17 a in Fig. 3, die einen Teilschnitt der Fig. 1 und 2 darstellt, bezeichnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist die Kolbenkon­ struktion gegenüber derjenigen nach den Fig. 1 und 2 insofern abgeändert, als daß die den Keramikeinsatz 23 zentrierende Hülse 26 nicht als Schraubteil, son­ dern als einstückige Fortsetzung des unteren metallenen Kolbenkörpers ausgebildet ist. Weiterhin wird der Einsatz 23 durch einen einwärts gerichteten Ringflansch 27 mit Außengewinde gehalten, der mit dem Innengewinde am Ober­ ende des Hülsenkörpers 26 in Eingriff steht, wobei der Ringflansch in einen Falz 25 am Keramikeinsatz 23 ein­ greift.

Auch in diesem Fall befindet sich in dem Ringraum, der in dem Falz 25 des Einsatzes 23 durch Begrenzung des Flansches 27 ausgebildet ist, eine Tellerfeder 27 a, die eine Axial­ kraft ausübt, um den Keramikeinsatz 23 in Position zu halten, wenn sich das Metall des Kolbens im Betrieb auf­ grund der Erwärmung ausdehnt.

Ein äquivalentes Ergebnis kann alternativ dadurch erzielt werden, daß eine gleiche Federscheibe zwischen der Unter­ fläche des Keramikeinsatzes und der Gegenfläche des darun­ ter befindlichen Metallkörpers des Kolbens angeordnet ist, um den Keramikeinsatz gegen den Halteflansch der betref­ fenden Hülse zu drücken.

Ein vergleichbares Federelement, z. B. eine in Umfangsrichtung gewellte Ringfeder, die parallel zur Kolbenachse einen Linienkontakt erzeugt, kann in einem Ringraum vorgesehen sein, der zwischen dem Keramikeinsatz und der diesen umgebenden Hülse ausge­ bildet ist, z. B. in jedem der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele. Ein sol­ ches Federelement ist mit 27 b in Fig. 5 bezeichnet, die eine entsprechend abgeänderte Ausführung des in Fig. 4 gezeigten Kolbens darstellt.

Eine andere geeignete Form eines Federelementes für jede Stellung besteht aus einer federnden gewirkten oder ge­ webten Metallmatte.

Fig. 6 veranschaulicht die Möglichkeit einer weiteren Befestigungsart des den Keramikeinsatz in Verbindung mit einem Federelement (nicht gezeigt) und einen haltenden Flansch. Ein hülsenförmiger Kolbenringträger 36 bildet hier den vor­ stehend erläuterten Hülsenkörper 16 bzw. 26 und ist durch Angießen mit dem übrigen Kolbenkörper 32 verbunden. Der Kolbenringträger umgibt in axialer Richtung teilweise den eine Mulde 34 aufweisenden Keramikeinsatz 33. In einen umfangsmäßigen Falz 35 am Oberende des Keramikeinsatzes 33 ragt ein Halteflansch 37 hinein. Dieser Flansch ist innen am Oberende des Kolbenringträgers 36 angeschweißt. Alternativ kann er aber auch verschraubt sein, wie es auch möglich ist, daß der Flansch 27 nach den Fig. 4 und 5 an der Hülse 26 angeschweißt ist.

Claims (4)

1. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem metallischen Kolbenkörper, der den Kolbenschaft und die beiden Kolbenbolzenlageraugen einschließt, mit einem Kolbenkopf, der aus einem wenigstens den zentralen Teil des Kopfes einnehmenden Keramikeinsatz besteht und durch eine metallene Hülse mit einem Flansch fest in Stellung gehalten wird, wobei die Hülse den Einsatz um­ gibt und mit dem Kolbenkörper verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Federelement (17 a; 27 a) in einem Ringraum angeordnet ist, der zwischen einem Umfangsfalz (15; 25) am Keramikeinsatz (13; 23) und dem Flansch (17; 27) ausgebildet ist, und daß das Federelement in axialer Richtung des Kolbens wirksam ist, um die unterschiedliche Wärmedehnung zwischen dem Einsatz (13; 23) und dem Flansch (17; 27) im Betrieb des Kolbens auszugleichen.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axial wirkende Federelement (17 a; 27 a) eine Tellerfeder in Form einer konischen, ringförmigen Scheibe ist.

3. Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem metallenen Kolbenkörper, der den Kolbenschaft und die beiden Kolbenbolzenlageraugen einschließt, mit einem Kolbenkopf, der aus einem wenigstens den zentralen Teil des Kopfes einnehmenden Keramikeinsatz besteht und durch eine metallene Hülse mit einem Flansch fest in Stellung gehalten wird, wobei die Hülse den Flansch um­ gibt und mit dem Kolbenkörper verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine in Umfangsrichtung gewellte Ring­ feder (27 b) vorhanden ist, die in einem Ringraum zwischen dem Keramikeinsatz (23) und der Hülse (26) angeordnet ist, um die unterschiedlichen Wärmedehnungen zwischen dem Ein­ satz (23) und der Hülse (26) in einer Richtung auszu­ gleichen, die quer zur Längsachse des Kolbens verläuft.

4. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (26) mit dem übrigen Kolbenkörper ver­ schraubt ist.