DE2912786B1 - Kolben fuer Brennkraftmaschinen sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens - Google Patents

Description

• Die Erfindung ist im nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben in schematischer Darstellung im Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch den Kolben gemäß Linie Il-llderFig. 1, F i g. 3 einen weiteren Schnitt entlang der Linie 111-111 der Fig. 1, F i g. 4a - e eine raumbildliche Darstellung einzelner Kohlenstoffaser-Wicklungen in Zuordnung zu einem auf einen Kern sitzenden Rohkolben, Fig.S einen erfindungsgemäßen Kolbenbolzen in raumbildlicher Darstellung, F i g. 6 einen erfindungsgemäßen Kolbenring in Draufsicht und Fig. 7 einen Schnitt gemäß Linie VII-VII der Fig. 6.
• Die F i g. 1 zeigt einen Kolben 2 für eine nicht dargestellte Hubkolbenbrennkraftmaschine. Der Kolben 2 besteht aus einem Kolbenschaft 4, einem Kolbenboden 6 und zwei um eine Bohrung 8 angeordnete Bolzenaugen 10 zur Aufnahme eines zylindrischen Kolbenbolzens t2 siehe Fig. 5).
• Der Kolben 2 ist aus einem durch Pyrolyse hergestelltem Kohlenstoff gebildet, in dem kurzgeschnittene Kohlenstoffasern (auf der Zeichnung nicht ersichtlich) eingebettet sind. Der Kolben 2 ist mit drei Kolbenringnuten 14, 16, 18 versehen.
• In dem Kolben 2 sind Kohlenstoffasern 20 (auf der Zeichnung als schwarze Punkte oder ausgezogene Linien dargestellt) eingebettet, die im Bereich des Kolbenschaftes 4 in Umfangsrichtung, im Bereich des Kolbenbodens 6 in Umfangsrichtung, diametral und kreissehnenartig (siehe Fig.2) und im Bereich der Bolzenaugen 10 um die Bolzenaugen 10 herum sowie von den Bolzenaugen 10 zum Kolbenboden 6 und zurück verlaufen (siehe Fig.3). Die dargestellten Kohlenstoffasern 20 sind durch einen einzigen Faserstrang gebildet. Die verschiedenen Kohlenstoffaser-Wicklungen sind, wie im folgenden noch näher beschrieben, untereinander verflochten.
• Auf der Außenseite des Kolbenbodens 6, am Ringsteg 22 und innerhalb der Kolbenringnut 14 ist eine verschleißfeste, temperaturbeständige Schutzschicht 24 bzw. Bewehrung 26 aus SiC mittels Plasmaspritzen aufgetragen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der F i g. 4a bis 4e näher erläutert. Bei der Herstellung eines Rohkolbens 28 wird zunächst ein Kern 30 angefertigt, der in einer Bearbeitungsvorrichtung 32 (nicht näher dargestellt) aufgenommen wird. Der Kern 30 wird durch einen Bolzen 34 mit einer Mittelachse 36 durchsetzt, um dessen freie Enden die Bolzenaugen 10 angeordnet werden. Der Kern 30 kann mittels der Vorrichtung 32 im gewünschten Maße und gegebenenfalls nach einem fest eingegebenen Programmablauf, wie mit den Pfeilen angedeutet, um die Mittelachse 38 gedreht und entlang dieser Mittelachse 38 sowie senkrecht dazu verschoben werden. In der Nähe des Kernes 30 ist eine schwenkbare Zuführspule (nicht dargestellt) angeordnet, von der der Kohlenstoffaserstrang 20 abgezogen werden kann.
• Vor dem Aufwickeln der Kohlenstoffasern 20 wird auf den Kern 30 eine dünne Umhüllung aus Pech aufgebracht. Auf diese Umhüllung werden dann die Kohlenstoffasern 20 schlaufen- und kreisförmig mit diametral und sehnenartig verlaufenden Verbindungen gewickelt.
• Die Kohlenstoffaser-Wicklung kann beispielsweise am Kolbenschaft 4 unten beginnen und in kreis- und spiralförmigen Umfangswindungen (siehe F i g. 4e) nach oben zum Kolbenboden 6 verlaufen. Dabei wird der Kern 30 von der Vorrichtung 34 gedreht und zugleich relativ zur Zuführspule entlang seiner Mittelachse 38 verschoben. Beim Aufbringen der Umfangswicklungen ist darauf zu achten, daß diese außerhalb des endgültigen Bohrungsmaßes innerhalb der Bolzenaugen 10 liegen, damit bei er Fertigbearbeitung der Bohrungen 8 nicht die Kohlenstoffaser 20 verletzt bzw. unterbrochen wird. Es versteht sich, daß die gezeigten Windungen in den F i g. 4b bis 4e nur zur Veranschaulichung dienen, während sie in der Praxis dichter und zahlreicher und in ihrer Geometrie weit variabler angeordnet sind.
• Im Bereich des Kolbenbodens 6 verläuft die Kohlenstoffaser 20 parallel zur Kolbenboden-Oberfläche diametral (s. Fig.4d), dann senkrecht und etwa parallel zur Mittelachse 38 nach unten zum einen Bolzenauge 10, um dieses herum, wieder zurück zum Kolbenboden 6, innerhalb dieses wieder diametral zu einem Punkt etwa senkrecht oberhalb des gegenüberliegenden Bolzenauges 10, von dort wieder nach unten usw. Wie in F i g. 4c zu sehen ist, können die im Kolbenboden 6 eingebetteten Kohlenstoffasern auch kreissehnenartig verlaufen. Schließlich geht eine nach unten zum Bolzenauge 10 verlaufende Kohlenstoffaser in kreisförmige, konzentrisch um die Mittelachse 36 verlaufende Umfangswindungen über.
• Die in den F i g. 4b bis 4c gezeigten Windungen bzw.
• Schlaufen können unter Verwendung eines einzigen Faserstranges in ständigem Wechsel und beliebiger Reihenfolge gewickelt werden, so daß eine verfestigende Verflechtung der Kohlenstoffaserabschnitte untereinander erzielt wird.
• Anstelle von Kohlenstoffasern 20 kann auch ein Faser-Vorprodukt, z. B. eine Polyacrylnitrilfaser verwendet werden. Die Fasern können mit Pech oder einem Kunstharz imprägniert sein oder nach dem Wickeln mit dem Matrixmaterial besprüht werden.
• Im Ausführungsbeispiel ist die Kohlenstoffaser 20 mit Pech imprägniert. Nach dem Aufbringen der ersten Wicklung wird auf diese eine weitere Umhüllung aus einem mit kurzgeschnittenen Kohlenstoffasern vermischten Pech aufgetragen, und mittels einer nicht dargestellten Vorform mit geringem Druck angepreßt.
• Anschließend wird in der beschriebenen Weise eine weitere Wicklung aus Kohlenstoffasern 20 aufgebracht, die mit einer weiteren, mit Kohlenstoffasern verstärkten Umhüllung aus Pech versehen wird und durch ein weiteres Umpressen mit einer entsprechenden Form zu dem Kolbenrohling 28 geformt wird.
• Nach dem Entfernen des Kernes 30, der nach Herausziehen des Bolzens 34 nach unten aus dem Kolbenring 28 entfernt werden kann, wird der Kolbenrohling 28 einer ersten Pyrolyse bei einer Temperatur von ca. 1 1000C unterzogen. Es versteht sich, daß bei der maßgeblichen Festlegung des Kolbenrohlings 28 dessen starke Schrumpfung bei der Pyrolyse zu berücksichtigen ist.
• Nach der Pyrolyse wird der Kolbenrohling spanend vorbearbeitet, wobei auch die Kolbenringnuten 14, 16, 18 eingestochen werden. Die noch rauhe, poröse Oberfläche des vorbearbeiteten Kolbens wird nun mehrmals mit Matrixmaterial bzw. Pech imprägniert und jeweils anschließend nochmals einer Pyrolyse unterzogen, wodurch eine glatte, verschleißfeste Oberflächenschich gebildet wird.
• Vor der spanenden Fertigbearbeitung des Kolbens 2 wird auf die Außenseite des Kolbenbodens 6, auf den Ringsteg 22 und innerhalb der obersten Kolbenringnut 14 nach dem bekannten Plasma-Spritzverfahren eine Schutzschicht aus Siliziumkarbid aufgetragen, die einen Abbrand und einen vorzeitigen Verschleiß an den am höchsten beanspruchten Teilen des Kolbens 2 verhindert.
• In der beschriebenen Weise können sinngemäß auch in der Fig. 5 gezeigte Kolbenbolzen 12 oder ein in den Fig. 6 und 7 dargestellter Kolbenring 40 zusammengesetzt sein, so daß hier nur stichpunktartig darauf Bezug genommen wird.
• Auf einem zylindrischen Kern 42 wird eine Umhüllung aus Phenolharz aufgetragen und diese in parallel zur Längsachse 44 verlaufenden Schlaufen und mit um die Längsachse 42 verlaufenden Umfangswindungen mit einer Polyacrylnitrilfaser 46 umwickelt. Anschließend wird der so gebildete Wickelkörper mit Phenolharz umhüllt, welches mit kurzgeschnittenen Kohlenstoffasern verstärkt ist, nochmals mit einer Polyacrylnitrilfaser 46 wie vorstehend beschrieben umwickelt und wieder mit einem verstärkten Phenolharz umschlossen und umpreßt. Nach einer ersten Pyrolyse, wobei der zylindrische Kern 42 vorher entfernt wurde, und einer spanenden Vorbehandlung wird der Kolbenbolzen 12 mehrmals, wie beim Kolben sinngemäß beschrieben, mit Phenolharz imprägniert, pyrolisiert und schließlich fertigbearbeitet, wobei bei einer Stangenfertigung der Kolbenbolzen 12 noch entsprechend seiner Länge abgestochen wird.
• Der Kolbenring 40 (Fig. 6,7) ist im Aufbau und in der Zusammensetzung sinngemäß dem Kolben 2 und dem Kolbenbolzen 12 gleich. Auf einem zylindrischen Kern (nicht dargestellt) wird ebenfalls eine Umhüllung aus Phenolharz aufgetragen, und diese mit um die Längsachse des zylindrischen Kernes verlaufenden Umfangswindungen mit einer Polyacrylnitrilfaser 48 umwickelt. Anschließend wird der Wickelkörper mit einem mit Kohlenstoffasern verstärktem Phenolharz umhüllt, nochmals mit einer Polyacrylnitrilfaser in Umfangswindungen umwickelt und wieder mit einem verstärkten Phenolharz umschlossen und umpreßt.
• Nach der ersten Pyrolyse und einer spanenden Vorbehandlung wird das rohrförmige Teil mehrmals.
• wie beim Kolben sinngemäß beschrieben, mit Phenolharz imprägniert, pyrolisiert und schließlich auf die Außenmaße fertigbearbeitet. Anschließend wird der Kolbenring 40 in der gewünschten Breite von dem rohrförmigen Teil abgestochen und geschlitzt.
• Der Kolbenbolzen 12 und der Kolbenring 40 eignen sich insbesondere zur Verwendung bei dem gattungsgemäßen Kolben 2, da sie im Ausdehnungskoeffizienten diesem gleich sind. Es versteht sich, daß beim Kolbenring 40 und beim Kolbenbolzen 12 ebenfalls das Aufbringen einer Schutzschicht an deren Oberfläche angebracht sein kann.
• Die in der beschriebenen Weise und Zusammensetzung hergestellten Teile zeichnen sich durch ein geringes Gewicht, gute Laufeigenschaften, eine hohe Festigkeit und durch nahezu keine Wärmedehnung aus.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Kolben für Brennkraftmaschinen, der im wesentlichen durch einen Kolbenboden, einem Kolbenschaft und zwei Bolzenaugen gebildet ist und aus Kohlenstoff besteht, dadurch gekennz e i c h n e t, daß der Kolben aus durch Pyrolysieren von Pech oder Kunststoff umgewandeltem Kohlenstoff besteht. in dem im Kolbenschaft, im Kolbenboden und um die Kolbenbolzenaugen Kohlenstoffasern als in Kraftflußrichtung verlaufende Verstärkungen eingebettet sind.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß die Kohlenstoffasern im Kolbenboden (6), Kolbenschaft (4) und um die Bolzenaugen (10) untereinander verflochten sind.
3. 3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebetteten Kohlenstofffasern (20) durch einen einzigen Kohlenstoffaserstrang gebildet sind.
4. 4. Kolben nach Anspruch 1, mit einem ein Pleuel mit dem Kolben verbindenden Kolbenbolzen, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Kolbenbolzen (12) aus Kohlenstoff besteht, in dem umfangsgewickelte und längs zur Bolzenachse verlaufende Kohlenstoffasern (46) eingebettet sind.
5. 5. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß a) auf einer Kern (30), ggf. mit einer Umhüllung aus Kunstharz oder Pech, Kohlenstoffasern (20) oder ein Kohlenstoffaser-Vorprodukt in Längs-, Quer- und tJmfangsrichtung aufgebracht werden. die mit einem Matrixmaterial aus Kunstharz oder Pech versehen sind, b) der so gebildete Wickelkörper mit Kunstharz oder Pech umhüllt wird und c) bei Temperaturen oberhalb 1000°C einer Pyrolyse unterzogen wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (30) vor dem Aufbringen der Kohlenstoffaser mit einer Umhüllung aus Kunstharz oder Pech versehen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) mehrmals einer Imprägnierung mit Kunstharz oder Pech und einer nachfolgenden Pyrolyse unterzogen wird.

   Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Kolbens.

   Durch die US-PS 27 92 265 ist ein Kolben für Kompressoren der Pumpen bekanntgeworden, der teilweise aus Kohlenstoff besteht. Durch die Anwendung von Kohiensloff soll der Kolben selbstschmierend sein, vodurek ein separates Schmiermittel entfallen kann. Da der .ollte^-stoLif - :f in einer Form sehr spröde ist, ist ein derartiger Kolben für Brennkraftmaschinen nicht geeignet.

   Ein weiterer Kolben (DE-AS 12 34 378) ist aus einem verformbaren Kunststoff, zum Beispiel Phenolharz, gebildet der an seinen Außenoberflächen mit einer Gleitschicht aus Fluorkohlenwasserstoffharz bedeckt ist. Ein der tclban el Kolben kann jedoch den in Brennkraftmaschinen auftretenden Temperaturen nicht standhalten. Dies trifft auch für einen in dem DE-GM 00 533 gezeigten Kolben für hydraulische Bremsanlagen zu, der aus mineralisch gefülltem Duroplast besteht und mit einer verschleißfesten Schutzschicht versehen ist.

   Die verschleißfeste Schutzschicht kann durch einen Ring aus Elektrokohle gebildet sein.

   Aufgabe der Erfindung ist es, einen für die Verwendung in Brennkraftmaschinen geeigneten Kolben zu schaffen, der bei vergleichbarer oder verbesserter Festigkeit gegenüber bekannten Kolben ein geringeres Gewicht aufweist und der nahezu keiner Wärmedehnung unterliegt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines derartige Kolbens aufzuzeigen.

   Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Der so gebildete Kolben weist eine ausreichende Festigkeit auf, um den in Brennkraftmaschinen auftretenden hohen Belastungen aufgrund der Gas- und Massenkräfte sowie den Brennraumtemperaturen standzuhalten. Wie sich überraschend herausgestellt hat, kann mit dem erfindungsgemäßen Kolben aus pyrolisiertem Kunststoff oder Pech eine beträchtliche Gewichtseinsparung erzielt werden, während die mechanische Festigkeit des Kolbens durch das Einbetten in Kraftflußrichtung verlaufender Kohlenstoffasern erreicht wird. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kolbens ist darin zu sehen, daß er gute Gleiteigenschaften aufweist und nahezu keiner Wärmedehnung unterliegt und somit ohne besondere Maßnahmen mit geringem Laufspiel verbaut werden kann.

   Eine hohe Formstabilität und Beanspruchbarkeit des Kolbens wird gemäß Patentanspruch 2 durch das Verbinden oder Verflechten der im Kolbenboden, im Kolbenschaft und um die Kolbenbolzenaugen eingebetteten Kolbenstoffaser-Wicklungen bewirkt, da dadurch Schwachstellen an den Übergangsbereichen, beispielsweise vom Kolbenschaft zum Kolbenboden, ausgeschlossen werden.

   Zwar ist aus der US-PS 25 89 332 ein elastisches Dichtteil für Kolben bekannt, welches aus untereinander verflochtenen Fasern gebildet ist, jedoch ist deren Verwendungszweck abweichend von der vorliegenden Erfindung; zudem werden keine Kohlenstoffasern verwendet.

   Zweckmäßig können die eingebetteten Kohlenstofffasern gemäß Patentanspruch 3 durch einen einzigen Kohlenstoffaserstang gebildet sein, der in einer bestimmten Reihenfolge gewickelt wie vorstehend beschrieben angeordnet ist.

   In Weiterbildung der Erfindung kann in den Kolben ein diesen mit einem Pleuel verbindender Kolbenbolzen mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 eingesetzt sein. Der Kolben und der Kolbenbolzen bestehen somit aus dem gleichen Material, so daß neben einer weiteren Gewichtsverminderung und einer hohen Festigkeit keine unzulässigen Wärmespannungen auftreten können.

   Die verfahrensgemäße Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst.

   Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind den Patentansprüchen 6 und 7 entnehmbar.