DE3040125A1 - Kolben fuer hubkolbenmaschinen sowie verfahren zur herstellung des kolbens - Google Patents

Kolben fuer hubkolbenmaschinen sowie verfahren zur herstellung des kolbens

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DE3040125A1
DE3040125A1 DE19803040125 DE3040125A DE3040125A1 DE 3040125 A1 DE3040125 A1 DE 3040125A1 DE 19803040125 DE19803040125 DE 19803040125 DE 3040125 A DE3040125 A DE 3040125A DE 3040125 A1 DE3040125 A1 DE 3040125A1
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Description

Aktiengesellschaft
Ingo!Stadt, den 08.10.1980
IP 1701 Za/L
Kolben für Hubkolbenmaschinen sowie Verfahren
zur Herstellung des Kolbens
Die Erfindung betrifft einen Kolben für Hubkolbenmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren · zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Ein derartiger Kolben ist durch die DE-AS 29 Yl 786 bekannt geworden. Gezeigt ist ein Kolben aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff, der sich insbesondere für Hubkolben-Brennkraftmaschinen eignet. Der Kolben ist in Wickel technik einstückig bzw. in im wesentlichen einem Arbeitsgang hergestellt.
Die Kohlenstoff- bzw. Verstärkungsfasern sind in Kraftflußrichtung um die Kolbenbolzenaugen, im Kolbenboden und um den Kolbenschaft ausgerichtet.
Der bekannte Kolben ist jedoch relativ kompliziert herstellbar, insbesondere im Hinblick auf eine Massenfertigung. Zudem können durch die einstückige Ausb.ldung nicht verschiedene Materialien in Anpassung an unterschiedliche Belabtungskritierien verwendet werden.
-Z-
Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, dal5 sich ein kostengünstiger, ggf. aus verschiedenen Materialien zusammensetzbarer Kolben ergibt, der für eine Massenfertigung besser geeignet ist. Eine weitere AUfgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines einfachen, kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung eines derartigen Kolbens.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Kolbens kann der Kolbenboden als separates Bauteil hergestellt werden. Zudem bietet sich je nach dem Verwendungszweck des Kolbens die Anwendung verschiedener Werkstoffe an. Beispielsweise kann bei einem Kolben für Brennkraftmaschinen der Kolbenboden aus einem relativ Jiochtemperaturbeständigem Werkstoff, der Innenkorpus aus einem überwiegend den Festigkeitsanforderungen entsprechenden Werkstoff und der Kolbenschaft aus einem zusätzlich gute Gleiteigenschaften aufweisendem Werkstoff bestehen.
Durch die gerüstartige Abstützung der Bauteile wird eine stabile Kolbenkonstruktion mit einer günstigen Überleitung der Kräfte vom Kolbenboden zum Innenkorpus und zum Kolbenschaft sowie umgekehrt erzielt.
Vorteilhaft kann der Kolben gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2 ausgebildet sein. Dadurch werden geometrisch unkomplizierte Bauteile mit geringen Wandstärken geschaffen, die im Zusammenbau ohne Verluste an Festigkeit einen sehr leichten Kolben ergeben.
-3-
Weitere zweckmäßige Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen 3 bis 7 entnehmbar. Durch das Ausschäumen des Hohlraumes im Kolben kann ggf. ein Ein-, dringen vom Schmieröl in den Hohlraum vermieden werden» Zudem ist das. Aufwickeln des zylindrischen Kolbenmantels ohne den Hohlraum abdeckende Hilfsmittel möglich. Beispielsweise bei einem Kolben für Brennkraftmaschinen kann der Kolbenboden aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, bestehen. Desgleichen können bei einem hochbelasteten Kolben in die Kolbenbolzenaugen Lagerbüchsen aus einem Lagermetall eingesetzt sein.
Die verfahrensgemäße Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen, des Patentanspruches 8 gelöst. Dementsprechend wird auf einen der Kolbeninnenkontur entsprechenden Kern in Wickeltechnik ein Innenkorpus aus Verstärkungsfasern und Matrixmaterial aufgev/iekelt. Auf diesen Innenkorpus bzw. dessen obere Abstützbasis wird ein bereits vorgefertigter Kolbenboden aufgesetzt. Der Kolbenboden kann ebenfalls aus einem faserverstärktem Kunststoff oder aus Metall hergestellt sein. Anschließend wird insbesondere durch um den Umfang des Kolbens verlaufende Verstärkungsfasern der Kolbenschaft hergestellt, der mit dem Kolbenboden zweckmäßig formschlüssig verbunden wird. Schließlich wird der Kolben ggf. während eines Verdichtungsvorgangs insbesondere des Kolbenschaftes zur Verbesserung dessen Formgenauigkeit und Oberflächengüte ausgehärtet und mechanisch fertig bearbeitet.
Besonders- vorteilhaft kann gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 9 verfahren werden. Durch das spiegelbildliche Zusammenfügen zweier Kerne können mit geringem Mehraufwand jeweils zwei Kolben gleichzeitig gefertigt werden. Dabei ist ein weiterer wesentlicher Vorteil darin zu sehen, daß die Faserwicklungen über beide Kerne verlaufen können. Dadurch wird das .Aufbringen der im Winkel zwischen 30° bis 70° zur
-4-
Längsrichtung des Kolbens verlaufenden Verstärkungsfasern vereinfacht. Nach der Fertigstellung der Kolben können diese durch einen Umfangseinstich und durch anschließendes Auseinandernehmen der beiden Kerne voneinander getrennt werden.
Weitere zweckmäßige Verfahrensmerkmale sind den Patentansprüchen 10 und entnehmbar.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 . einen erfindungsgemäßen Kolben im Querschnitt
gemäß Linie I-I der Fig. 2,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den gleichen Kolben, gemäß
Linie ΙΙ-ΙΪ der Fig. 1
Fig. 3 ' ■ zwei Kerne zur Herstellung des Innenkorpus des
erfindungsgemäßen Kolbens,
Fig. 4 einen Schnitt durch die Kerne gemäß Fig. 3 mit
einer aufgesetzten Schäumform und
Fig. 5 das Wickeln des Kolbenschaftes in einer Spannvorrichtung.
-5-
In den Fig. 1 und 2 ist ein Kolben 2 für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine gezeigt. Der Kolben 2 setzt sich aus einem im Querschnitt U-förmigen Kolbenboden 4, einem sich nach oben dem Kolbenboden 4 zu domartig verjüngendem Innenkorpus 6 und einem etwa hohl zylindrischen Kolbenschaft 8 zusammen.
Der Innenkorpus 6 besteht aus einem mit Kohlenstoffasern verstärktem Epoxidharz und umfaßt die Kolbenbolzenaugen 10, 12, in die Lagerbüchsen 14, 16 aus Leichtmetall eingesetzt sind. Am Innenkorpus 6 ist eine obere Abstützbasis 18 ausgebildet, mit der der Kolbenboden 4 verbunden ist.
Der Kolbenboden 4 ist aus einer Aluminiumlegierung gegossen und mit zwei benringnuten 20, 22 versehen. Unterhalb der zweiten Kolbenringnut 22 ist an dem Kolbenboden 4 ein im Durchmesser zurückgesetzter Kragen 24 angeformt, in den eine äußere, abgerundete Ringnut 26 eingeformt ist.
über den Kragen 24 bzw. die Ringnut 26 ist der Kolbenboden 4 mit dem Kolbenschaft 8 formschlüssig verbunden. Der Kolbenschaft 8 ist ebenfalls aus mit Kohlenstoff asern verstärkten Epoxidharz hergestellt. Die Kohlenstoffasern verlaufen unter einem Winkel 30° bis 70° zur Umfangsrichtung. über eine ringförmige, untere Abstützbasis 28 ist der Innenkorpus 6 mit dem Kolbenschaft 8 verbunden.
L-er zwischen dem Kolbenboden 4, dem Innenkorpus 6 und dem Kolbenschaft 8 gebildete Hohlraum 30 ist mit einem Polyurethanschaum niedriger Dichte ausgefüllt.
Die Herstellung jeweils zweier Kolben 2 in einem Verfahrensgang ist im folgenden beschrieben.
Es werden zwei Kerne 32, 34 gleicher Konfiguration verwendet, deren Außenkontur der Innenkontur der zu wickelnden Innenkorpusse 6 entspricht. In die Kerne 32, 34 sind Querbolzen 36, 38 zur Fixierung der Bolzenaugen 10, 12 eingesetzt. Die beiden Kerne 32 , 34 werden in spiegelbildlicher Anordnung beispielsweise durch eine nicht gezeigte Bajonettverbindung zusammengesetzt. Durch einen in der Trennebene eingeschraubten Bolzen 40 können die Kerne 32, 34 in einer zu einer nicht dargestellten Wickelmaschine gehörenden Dreh- und Schwenkvorrichtung aufgenommen werden. Die beiden Querbolzen 36, 38 sind um 90° versetzt zueinander angeordnet.
Nach dem Aufschieben der metallischen Lagerbüchsen 14, 16 auf die Querbolzen 36, 38 werden zwei Innenkorpusse 6 durch Umwickeln der Kerne 32, 34 mit einer im Epoxidharz getränkten, endlosen Kohlenstoffaser 42 hergestellt. Dabei verläuft die Kohlenstoffaser unter anderem in den in der Fig. 3 gezeigten Wiekel richtungen, nämlich in Längswicklungen um die beiden Kerne, in Umfangswicklungen insbesondere im Bereich der unteren Abstützbasis 28, in Umfangswicklungen um die Querbolzen 36, 38, in Diagonalwicklungen von jeweils einer Seite eines Querbolzens zur anderen Seite sowie in Schrägwicklungen von einem Querbolzen zum anderen. Durch den 90° Versatz der beiden Querbölzen ergibt sich ein günstiger Winkel der sich kreuzenden Schrägwicklungen, wodurch eine hohe Zug- und Druckfestigkeit der Innenkorpusse erzielbar ist.
Nach dem Wickeln der Innenkorpusse 6 werden - wie aus Fig. 4 ersichtlich die vorgefertigten Kolbenböden 4 aus einer Aluminiumlegierung auf die oberen Abstützbasen 18 der Innenkorpusse 6 aufgesetzt und durch Spannflansche 44, 46 gehalten. Die Spannflansche 44, 46 sind an einer im wesentlichen hohlzylindrischen, mehrteiligen Schäumform 48 festgelegt. Die Schäumform 48 umschließt
—7-
den Umfangsbereich der Kolbenboden 4 und die ringförmigen Abstützbasen 28 der Innenkorpusse 6 und ist in ihrer übrigen Innenkonfiguration entsprechend dem Kolbenschaft 8 abgestimmt. Anschließend werden die zwischen der.Schäumform 48, den Innenkorpussen 6 und den Kolbenböden 4 gebildeten Hohlräume 30 mit einem grob- und geschlossenporigen Polyurethanschaum niedriger Rohdichte ausgefüllt. Der PU-Schaum kann über nicht gezeigte Kanäle in der Schäumform 48 zugeführt werden.
Nach dem Aushärten der Innenkorpusse 6 und des PU-Schaumes wird'die Schäumform 48 entfernt. Dann werden zum Aufwickeln des Kolbenschaftes 8 die mit den Kolbenböden 4 verbundenen Innenkorpusse 6 zusammen mit den Spannflanschen 44, 46 in eine Drehvorrichtung 50, 52 eingesetzt. Anschließend wird der Kolbenschaft 8 durch Umwickeln der Kolbenboden 4, des Polyurethan-Schaumes und der Innenkorpusse 6 mit einer in Epoxidharz getränkten Kohlenstoffaser 54 angefertigt. Durch das Umwickeln der Kragen 24 bzw. der Ringnuten 26 wird eine formschlüssige Verbindung zwischen den Kolbenboden 4 und dem Kolbenschaft 8 hergestellt. Den Umfangswicklungen wird durch überlagertes Oszillieren der nicht dargestellten Faserzuführvorrichtung eine bestimmte Steigung aufgeprägt, die die Festigkeitseigenschaften des Kolbens verbessert.
Schließlich werden die beiden Kolben im Umfangsbereich der Kolbenschäfte einem nicht dargestellten Preßvorgang unterzogen, um deren Oberflächenbeschaffenheit urd Materialdichte zu verbessern. Nach dem Aushärten der Kolben erfolgt deren mechanische Bearbeitung wie Herstellen des endgültigen Außendurchmessers, Ausstechen der Kolbenbolzenbohrungen usw. Dann werden die beiden Kolben durch
-8-
Einbringen einer Einstechnut im Bereich der Trennebene der Kerne 32, 34 voneinander getrennt. Durch Auseinandernehmen der Kerne 32, 34 und Herausziehen der Querbolzen 36, 38 können die Kolben 2 von den Kernen 32, 34 getrennt werden.

Claims (11)

AUDI NSU AöM £ Aktiengesellschaft IngolStadt, den 08.10.1980 IP 1701 Za/L Kolben für Hubkolbenmaschinen sowie Verfahren zur Herstellung des Kolbens Patentansprüche
1./Kolben für Hubkolbenmaschinen, der zumindest teilweise aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist und einen Kolbenboden, einen Kolbenschaft und Kolbenbolzenaugen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein separat gefertigter Kolbenboden (4) und ein Kolbenschaft (8) an ihrem übergang formschlüssig miteinander verbunden sind,
b) ein die Kolbenbolzenaugen (10, 12) umfassender Innenkorpus (6) über eine obere Abstützbasis (18) mit dem Kolbenboden (4) und über eine untere Abstützbasis (28) mit dem Kolbenschaft (8) verbunden ist und
c) zumindest der Kolbenschaft (8) und der Innenkorpus [6) aus faserverstärktem Kunststoff gebildet sind.
-2-
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Innenkorpus (6) ausgehend von einer ringförmigen Abstützbasis (28) sich nach oben domartig verjüngend ausgebildet ist,
b) der Kolbenboden (4) im Querschnitt etwa U-förmig und
c) der Kolbenschaft (8) im wesentlichen hohl zylindrisch ausgebildet
ist, so daß
d) zwischen dem Innenkorpus (6), dem Kolbenboden (4) und dem Kolbenschaft (8) ein Hohlraum (30) gebildet ist.
3. Kolben nach ANspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (30) mit einem porigen Kunststoffmaterial ausgeschäumt ist.
4. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet., daß der Kolbenboden (4) aus Metall besteht.
5. Kolben nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekenn zeichnet, daß in die Kolbenbolzenaugen (.10, 12) Lagerbüchsen (14, 16) aus MEtall eingesetzt sind.
-3-
6. Kolben nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenschaft (8) mit einem im Durchmesser zurückgesetzten Kragen (24) mit einer Ringnut (26) zur formschlüssigen Verbindung mit dem Kolbenschaft (8) ausgebildet ist.
7. Kolben nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, mit Kolbenringrruten, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (4) mit einer oder mehreren Kolbenringnuten (20, 22) versehen ist.
8. Verfahren zum Herstellen des Kolbens nach den vorhergehenden. Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß
a) auf einen Kern (32) mit einem Querbolzen (36) zur Fixierung der Kolbenbolzenaugen der Innenkorpus (6) gewickelt wird,
b) auf den Innenkorpus (6) bzw. dessen oberen Abstützbasis (18) dervorgefertigte Kolbenboden (4) aufgesetzt wird,
c) dann insbesondere durch Umfangswickiungen der Kolbenschaft (8) aufgewickelt, :
d) der Kolben anschließend ggf. nach einem Preßvorgang ausgehärtet und schließlich
d) mechanisch fertig bearbeitet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Kolben (2) gleichzeitig gefertigt werden, intern zwei Kerne (32, 34) spiegelbildlich zusammengefügt und in einem Arbeitsgang umwickelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Querbolzen (36, 38) bzw. die beiden Kerne (32, 34)
versetzt zueinander angeordnet sind und daß die Verstärkungsfasern (Kohlenstoffaser 42) unter anderem von einem Querbolzen zum anderen verlaufen.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wickeln des Innenkorpusses (6) und dem Aufsetzen des' Kolbenbodens (4) eine die 'Innenmaße des später aufzuwickelnden Kolbenschaftes (8) bestimmende Schäumform (48) aufgebracht und der Hohlraum (30) zwischen dem Innenkorpus (6},dem Kolbenboden (4) und der Schäumform (48) ausgeschäumt wird.
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