DE2923934C2 - Zusammengesetzter Kolben für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten Kolben, insbesondere für Brcnnkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einem bekannten zusammengesetzten Kolben (siehe DE-OS 27 36 815) ist der Kolbenkopf aus einem Keramikeinsatz und einem ringförmigen Hülsenkörper zusammengesetzt, welcher letzterer mit dem Kolbengrundkörper verschraubt oder verschweißt ist, wobei der Keramikeinsatz durch einen übergreifenden Ringflansch zwischen dein Hülsenkörper und dem Kolbengrundkörper gehalten ist. Als Verdrehsicherung für den verschraubten Hülsenkörper dient ein Gewindestift, der w> innerhalb des Kolbengrundkörpcrs derarl angeordnet ist. daß die zugehörige Innengewindebohrung einerseits innerhalb des Kolbengrundkörpcrs und andererseits im Bereich des den Hülsenkörper aufnehmenden Außengewindes mündet. h">

Nachteilig hieran ist, daß nicht der gesamte obere Teil des Kolbengrundkörpers von einem Keramikkörper gedeckt ist. daß also der Kolbenkopl nicht vollständig aus dem keramischen Material besteht Dadurch ist die ■Wärmeisolierung der Verbrennungskammer nicht optimal gelöst, so daß auch die sich daraus ergebende Treibstoffeinsparung und verbesserte Verbrennungscharakierislik noch nicht optimal ist. Da der Keramikeinsatz innerhalb des aus einem anderen Material bestehenden Hülsenkörpers nur klemmend gehalten ist, ergibt sich wegen der vorhandenen unterschiedlichen Wärmedehnungen und -spannungen keine absolut sichere Befestigung der Teile aneinander und des Kolbenkopfes am Kolbengrundkörper. Außerdem ist das Vorhandensein mehrerer Einzelteile relativ aufwendig und kostspielig. Des weiteren ist auch die Verdrehsicherung in Form des Gewindestiftes nachteilig, da einerseits auch hier wieder mehrere Einzelteile und Bearbeitungsvorgänge notwendig sind und da andererseits die Gefahr besteht, daß auf die Dauer sich über diese Verdrehsicherung Leckagen von außen nach innen ergeben.

Mit anderen Worten, es muß insbesondere auf die Bruchempfindiichkeit bei Stoß des keramischen Materials Rücksicht genommen werden. Da ein solcher keramischer Kolbenkopf mit einem Koibengrundkörper kombiniert ist, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, bringt naturgemäß der Unterschied in den Wärmedehnungs-Koeffizienten erhebliche Probleme. Wird eine derartige Brennkraftmaschine lange Zeit betriebe!:, so ergeben sich Spiele zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper gerade aufgrund dieses Unterschiedes in den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, was während des Betriebes zu schädlichen Stoßen auf das Keramikmaterial führen kann.

Aus der DE-PS 7 25 761 und der DE-PS 4 20 605 ist es bekannt, daß sich der Kolbenkopf und der Koibengrundkörper miteinander unmittelbar berühren, was zur Folge hat, daß aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Spiel auftritt, das dann, wenn der Motor in Betrieb ist, für das Keramikmaterial sehr schädlich ist, weil ein solches Spiel Stöße auf das Keramikmatcrial geradezu herausfordert.

Bei einem aus der GB-PS 3 55 474 bekannten zusammengesetzten Kolben besteht eine Kontaktfläche zwischen Gewindegängen parallel zur Achse des Kolbengrundkörpers. Wenn der Kolbenkopf aus Keramikmatcrial und der Kolbengrundkörper aus einer Aluminiunilcgierung hergestellt ist, ist der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beiden Materialien so groß, daß der Kolbengrundkörper in radialer Richtung sich mehr ausdehnen kann als der Kolbenkopf, was demgemäß in einer extremen Situation zur Folge hat, daß beide Teile sich voneinander trennen und die Befestigung des Kolbenkopfes am Koibengrundkörper sich löst. Dieses Lösen des Kolbenkopfes kann wie derum ein Spiel zwischen den beiden Teilen bewirken und Sprünge am Kolbenkopf verursachen.

Schließlich ist in der früheren nicht vorveröffentlichten DE-OS 27 57 668 beschrieben, daß der aus keramischem Material bestehende Kolbenkopf die Vorderseite des Kolbengrundkörpcrs ganzflächig bedeckt; jedoch wird dort der Kolbenkopf mit Hilfe einer ihn durchdringcndcn Schraube am darunterliegenden Kolbengrundkörper befestigt, wobei diese Schraube aufgrund einei gewühlten An/.ugsvorspannung gleichzeitig als Vcr drehsicherung dient. Dies ergibt jedoch Schwierigkeiten an Aulwendungen hinsichtlich der Anpassung de? Schiaubcnkopfes an die l'orm der Stirnfläche des KoI benkopfes und darüber hinaus ist auch hier wieder eint Wärmebrücke durch die Schraube gegeben. Außerdcn besitzt diese Art der Befestigung von Kolbenkopf um

Kolbengrundkörper den Nachteil, daß bei wiederholtem Motorenbetrieb eine Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen Kolbenkopf und Kolbcngrundköiper wiederholte Beanspruchungs- und Deformationsänderungen bewirkt, was zur Folge hat, daß die beiden Teile sich lösen, was wiederum zu Schwierigkeiten am Motor, beim Kühlen des Kolbenkopfes oder in der Abdichtung führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen zusammengesetzten Kolben der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß eine Verbindung zwischen dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung geschaffen wird, die eine unmittelbare Kopplung von Kolbenkopf-Material und Kolbengrundkörper-Material vermeidet, den Abbau radial gerichteter Dehnungsspannungen im Kolbengrtindkörper im Bereich der Verbindung zuläßt und eine einfache Sicherung gegen Verdrehen der zu verbindenden Kolbentcile unter Ve;tneidung von thermisch bedingten, unzulässig hohen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien und von Gas-Leckagen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem zusammengesetzten Kolben der genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Kolben ist der gesamte obere Teil des Kolbengrundkörpers vom aus keramischen Material bestehenden Kolbenkopf abgedeckt. Die Erfindung begnügt sich somit hinsichtlich des Kolbenkopfes mit weniger Teilen und schafft eine relativ einfache Lösung zum sicheren Verbinden von Kolbenkopf und Kolbengrundkörper. Da zwischen dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper ein geschlitzter Ring angebracht ist, ist eine unmittelbare Kopplung zwischen den beiden erstgenannten Teilen, nämlich dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper verhindert. Außerdem kann dadurch die innere Spannung des Kolbengrundkörpcrs. der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, insbesondere in radialer Richtung absorbiert werden. Außerdem ist die Verdrehsicherung in optimaler Weise an die verwendeten Materialien angepaßt, da sie ebenfalls zusätzliche Einzelteile vermeidet, die insoweit Probleme mit sich bringen würden, als das keramische Material schwierig zu bearbeiten ist und nur mäßige Zugkräfte aushalten kann. Bei der Verdrehsicherung gemäß vorliegender Erfindung ist erreicht, daß die thermische Differenz zwischen Kolbenkopf und Kolbengrundkörper im Spiel zwischen dem Vorsprung und dem ihn aufnehmenden Hohlraum aufgefangen werden kann, wodurch es deshalb nicht zu Bruch kommen kann. Da außerdem dieser Hohlraum von dem Vorsprung nicht durchdrungen wird, besteht auch keine Möglichkeit einer Gaslekkage.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Querschnitt durch einen zusammengesetzten Kolben für Motoren gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

F i g. 2 eine Schrägansicht zur Darstellung eines Verbindungselementes für den Kolbenkopf und den Kolbengrundkörper der F i g. 1,

Fig. 2a eine Schrägansicht des Kolbenkoofes der Fig.l,

Fig. 3 eine Schrägansicht des Kolbenkopfes gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und

Fig.3a einen axialen Teillängsschniti des Kolbenkopfes der Fig.3, wie er mit einem anderen Kolben^r> grundkörpcr verbunden ist.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 der Kolbenkopf und mit der Bezugsziffer 2 der Kolbengrundkörper dargestellt, welche beide Elemente als separate Bauteile gebildet sind. Der Kolbenkopf 1 ist aus Keramikmaterial hergestellt das in vorteilhafter Weise aus derjenigen Gruppe ausgewählt ist, die eine hochbeanspruchbare Glaskeramik (kristallisiertes Glas), Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Aluminiumoxid umfaßt. Unter anderem wurde Glaskeramik deswegen als vorteilhaft empfun-

den. weil es genau so fest wie herkömmliches Bernstein oder gesinterter rostfreier Stahl ist, weil es zur Gewichts- und Kosienrcduzierung beiträgt, ferner weil eine sehr große Genauigkeit der herzustellenden geneigten Oberfläche sichergestellt, da es wie geschmolzenes

Glas zu einer gewünschien Form geformt bzw. gegossen werden kann, und weil es leicht durch Blasformen oder Preßformen unter Verwendung einer Gußform ohne weitere Bearbeitung herzustellen ist. Nach dem Formen wird es einer Kristallisierungsbehandlung unter-

worfen. Die bevorzugt verwendete Glaskeramik hat bei in Kraftfahrzeugen verwendeten Kolben einen Erweichungspunkt von über 600° C und eine Biegefestigkeit von über 10 kg/mm².
Der Kolbengrundkorper 2 besteht aus einem Leichtmetall, wie Aluminium oder einer leichten Legierung, wie einer Aluminiumlegierung. Nach dem Gießen des Kolbengrundkörpers 2 in einer Form werden die Umfangsflächen und die Nuten zum Einpassen der Kolbenringe fertig und feinbearbeitet.

J5 Am Umfang des Kolbenkopfes 1 ist ein ringförmiger Vorsprung la vorgesehen, der sich axial zum Kolbengrundkorper 2 hin erstreckt und dessen unteres Ende einen Ansatz oder Flansch 3a bildet, der sich radial und nach innen des Kolbens erstreckt. Die obere Fläche des Flansches 3a ist im wesentlichen eben und bildet einen Teil einer Verbindungsvorrichtung 3. An der Grundseite des Inneren des Kolbenkopfes 1, die dem Flansch 3a abgewandt ist, ist ein sich nach unten erstreckender Vorsprung oder Ansatz 3b (Fig. I und 3) vorgesehen.

der sich über eine bestimmte Länge in Umfangsriehtung des Kolbens erstreckt und der ebenfalls einen Teil bzw. ein Element der Verbindungsvorrichtung 3 bildet. An der Unterseite des Ansatzes 3b ist eine geneigte Fläche 3c vorgesehen, die in Umfangsriehtung allmählich ansteigt oder abfällt. Die Neigung der geneigten Fläche 3c ist vorzugsweise gering und ihre Stirnfläche ist bevorzugt breit. Es ist notwendig, daß mindestens ein Ansatz 3b und eine geneigte Fläche 3c in Umfangsriehtung des Kolbens vorgesehen ist; es können jedoch auch mehrere davon vorgesehen sein.

Der Kolbengrundkorper 2 ist ein zylindrisches Teil mit einem integralen oberen Ende, das eine sich axial erstreckende, ringförmige Nut 2a aufweist, die den Vorsprung la des Kolbenkopfes 1 aufnimmt. Eine ringför-

bo inigc radiale Nut 2b ist an der Innenseite der Wand der axialen Nut 2a angeordnet, wobei sie sich in die Nut 2a öffnet. Die radiale Nut 2b bildet ein eingerücktes aufnehmendes Teil der Verbindungsvorrichtung 3.
In der radialen Nut 2b ist ein geschlitzter bzw. offener

b5 Ring 4 mit einer solchen vertikalen Höhe angeordnet, daß er ganz eng und fest in die radiale Nut 2b eingepaßt ist. Der Ring 4 (Fig. 2) bildet ein eingreifendes Teil einer zusammenwirkenden VerbindunKsvorrichtune

und besitzt einen Bereich, der sich in die Nut 2a hinerstreckt. Damit der Ring 4 in die Nut 2b passend eingesetzt werden kann, ist er in der Form eines geschlitzten Ringes konstruiert. Selbstverständlich kann der Ring 4 auch aus einer Vielzahl von Stücken zusammengesetzt sein, die sich in Umfangsrichtung des Kolbens erstrekken. Auf dem außerhalb der Nut 2b befindlichen Teil des geschlitzten Ringes 4 ist eine geneigte bzw. Schrägfläche 4a vorgesehen, die mit der geneigten bzw. Schrägfläche 3c des Ansatzes 36 des Kolbenkopfcs 1 über einen gewissen Bereich in Umfangsrichtung in Eingriff bringbar ist, wobei die geneigten Flächen 3c und 4a denselben Neigungswinkel besitzen.

Beim Zusammenbauen des Kolbens wird zuerst der geschlitzte Ring 4 in die Nut 20 des Koibengrundkörpers 2 eingepaßt und dann radial zusammengedrückt. Dann wird der Vorsprung la des Kolbenkopfes 1 in die axiale Nut 2a eingedrückt, so daß die Innenfläche des Flansches 3a den Ring 4 zusammengedrückt hält. 1st der obere Rand des Flansches 3a unter den unteren Rand des Ringes 4 gelangt, dann löst bzw. entspannt sich der Ring und der Ring expandiert radial, so daß Kolbenkopf 1 und Kolbengrundkörper 2 miteinander verbunden werden. Daraufhin wird der Kolbenkopf 1 in Umfangsrichtung relativ zum Kolbengrundkörper 2 gedreht, wodurch sich eine Eingriffsverbindung der beiden geneigten Flächen 3c und 4a ergibt. Unter gleichzeitigem engen Eingriff des oberen Endes des Flansches 3a mit dem Boden des Ringes 4 und der Flächen 3cund 4a miteinander ist der Kolbenkopf 1 mit dem Kolbengrundkörper 2 fest verbunden, wobei in axialer Richtung des Kolbens kein Spalt besteht.

Der fest verbundene Zustand kann solange aufrecht erhalten werden, wie der Kolbenkopf 1 nicht relativ zum Kolbengrundkörper 2 in solch einer Richtung gedreht wird, daß die geneigten Flächen 3c und 4a voneinander getrennt werden. Um das Aufrechterhalten dieses Zustandes zu garantieren, ist eine die Drehbewegung sperrende bzw. verriegelnde Verdrehsicherung 6 vorgesehen, die ein Verdrehen verhindert. Die Verdrehsicherung 6 nach der Erfindung ist dadurch gebildet, daß der Kolbengrundkörper 2 entweder in kaltem oder warmen Zustand mit seinem Vorsprung 6b in einen Hohlraum 6a des Kolbenkopfes 1 nach dem Zusammenbau dringt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Abstandhalter 5 zwischen dem Kolbenkopf 1 und dem Kolbengrundkörper 2 zum Zwecke der Einstellung des axialen Eingriffs zwischen den Zwischenverbindungsbercichen von Kolbenkopf, geschütztem Ring und Koibengrundkörper und zum Vorsehen einer federnden bzw. Kissenwirkung zwischen ihnen angeordnet. Der Abstandhalter 5 ist aus Kupfer hergestellt.

Beim obengenannten Beispiel ist der Fall dargestellt, bei dem die Verbindungsvorrichtung 3 am Kolbenkopf 1 und die damit zusammenwirkende Verbindungsvorrichtung in Form des geschlitzten Ringes 4 getrennt davon am Kolbengrundkörper vorgesehen ist. Es versteht sich jedoch, daß der geschlitzte Ring 4 auch am Kolbenkopf 1 und die Verbindungsvorrichtung 3 am Kolbengrundkörper 2 vorgesehen sein kann.

Bei obengenannten Ausführungsbeispiel ist der geschlitzte Ring 4 als vom Kolbenkopf I oder vom Kolbengrundkörper 2 getrenntes Teil bzw. Element vorgesehen, jedoch kann er auch integral mit dem Kolbcnkopf 1 und dem Kolbengrundkörper 2 gebildet sein. Im letzteren Fall sollten aus Gründen des Zusammensetzens die Zwischenverbindungsflächen bis zu einem gewissen Grade in Umfangsrichtung fein bearbeitet werden. Dann wird, nachdem die beiden Teile ohne Berührung miteinander provisorisch zusammengesetzt sind, der Kolbenkopf 1 relativ zum Kolbengrundkörper 2 gedreht, wodurch ein Ineinandergreifen erreicht und Kolbenkopf und Kolbengrundkörper miteinander fest verbunden werden. Dies ist in F i g. 3 dargestellt.

In F i g. 3 sind geneigte Gewindegänge 3a, wie man sie oft bei Glasgefäßdeckel sieht, um den Vorsprung la des Kolbenkopfes 1 herum angeordnet. Dabei sind die Gewindegänge über Längen 5 unterbrochen. Die Verdrehsicherung und andere Teile sind in derselben Weise, wie oben beschrieben, aufgebaut.

Auf dem Kolbengrundkörper sind Gewindegänge 36 vorgesehen, in die die Gewindegänge 3a eingreifen.

Dort wo die Gewindegänge am Kolbenkopf 1 die Form der unterbrochenen Gewindegänge 3a annehmen, sind im Kolbengrundkörper 2 vertikale Schlitze mit einer Breite, die gleich der Länge der Gewindegänge 3a ist, und einer Tiefe, die gleich der radialen Höhe der Gewindegänge 3a ist, vorgesehen. Die Bereiche zwischen den Schlitzen ragen in die Bereiche 5 und besitzen dazu passende Gewindegänge 3b.

Das Schraubgewinde muß nicht immer scharfkantig sein; eine geneigte Fläche kann ausreichen. Das Gewinde kann als eingreifendes Verbindungsmittel mit teilweiser Neigung betrachtet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   !. Zusammengesetzter Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbengrundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Kolbenkopf aus keramischem Material und Vorrichtungen zum Verbinden von Kolbengrundkörper und Kolbenkopf sowie zur Sicherung gegen Verdrehung des Kolbenkopfes gegen- über dem Kolbengrundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbengrundkörper (2) an seinem dem Kolbenkopf (1) zugewandten Ende eine sich axial erstreckende, zu diesem Ende hin offene, ringförmige Nut (2a) und der bekanntermaßen das Ende des Kolbengrundkörpers (2) überdeckende Kolbevikopf (1) einen in die Nut (2a) ragenden, sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung (\a) aufweist, daß im Bereich einer Flanke der Nut (2a) eine weitere sich radial zur Kolbenachse erstreckende und zur Nut (2a)h\n offene Nut (2b) vorgesehen ist, in der ein geschlitzter Ring (4) einlegbar ist, der sich in eine radiale Ausnehmung (\b). die seitlich im ringförmigen Vorsprung (la,} liegt, hineinerstreckl, wobei am geschlitzten Ring (4) und am ringförmigen Vorsprung (la,} im Bereich der Ausnehmung (\b) vorspringende Elemente (4b, 3b) angeordnet sind, die jeweils eine gleichartig geneigte Fläche (4a, 3c) aufweisen, welche nach Zusammensetzen und gegeneinander Drehen von Kolbenkopf (1) und KoI- bengrundkörper (2) zur Anlage kommen, und daß die Verdrehsicherung (6) aus mindestens einem Hohlraum (6a) im Kolbenkopf und einem in den Hohlraum passenden Vorsprung (6b) am Kolbengrundkörper (2) besteht.
2. 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Flächen (4a, 3c) sich nur teilweise in Umfangsrichtung erstrecken.
3. 3. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Ende des Kolbengrundkörpers (2) und dem unteren Ende des Kolbenkopfes (1) ein Abslandhalter (5) angeordnet ist, der vorzugsweise aus Kupfer ist.

   45