DE3237469C2 - Kolben mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid - Google Patents

Kolben mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid

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Abstract

Bei einem Kolben (1) mit einem metallischen Kolbenschaft (7) und einem mittels einer Schrumpfverbindung damit verbundenen Kolben (1) mit einem Bauteil (3) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht der den Brennraum begrenzende obere Bereich (5) des Kolbenbodens über den gesamten Querschnitt aus dem Bauteil (3) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid. Das in seinem unteren Bereich (6) kegelstumpfförmig ausgebildete Bauteil (3) ist mit dem in seinem oberen Bereich (10) ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildeten metallischen Schaft (7) durch ein in Richtung der Längsachse L3 des Kolbens (1) zweigeteiltes, ringförmiges Bauteil (13) verbunden, das durch einen darauf und über den metallischen Schaft (7) aufgeschrumpften Außenring (15) gehalten wird.

Description

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenwand (17) des Außenringes (15) Kolbenringnuten (16) eingelassen sind.
3. Kolben nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenring (15) aus Stahl besteht.
4. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauteil (13) aus Stahl besteht
5. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Bauteil (13) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid besteht.
(>. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Schaft (7) aus Aluminium besteht.
'/. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel <x zwischen der geraden Kegelstumpfmantellinie des Bauteils (3) und der Berührungsebene (B) von Bauteil (3) und Kolbenschaft (7) 70° bis 85°, vorzugsweise 75° bis 82° beträgt
8. Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkontur (14) des ringförmigen Bauteils (13) in ihrem Bereich (S) eine Abrundung oder eine Fase (19) aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben mit einem metallischen Kolbenschaft und einem mittels einer Schrumpfverbindung damit verbundenen, den Brennraum begrenzenden, gegebenenfalls mit einer Brennmulde aufweisenden Kolbenboden mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid.
Aus dem Aufsatz: »Piston Design for High Combustion Pressures and Reduced Heat Rejection to Coolant«, Seite 9 bis 12 von Wacker/Sander, veröffentlicht in SAE Technical Papers Febr. 1982, ist bereits e Ji Kolben mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid (PSZ), das einen Teil des Kolbenbodens bildet, bekanntgeworden. Die dort beschnebene Verbindung mit dem Kolbenschaft sieht einen Stahlring vor, der über das Zirkonoxidbauteil geschrumpft ist und der mittels einer Schraubverbindung mit dem Kolbenschaft aus Aluminium verbunden ist Als entscheidender Nachteil dieses Kolbens wird angegeben, daß die hohen thermischen Spannungen, die sich infolge der Materialeigenr.chaften von Zirkonoxid ergeben, Spannungsrisse im Zirkonoxidbauteil bewirken. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Kolbenboden brennraumseitig nur teilweise aus dem Zirkonoxidbauteil besteht, der Stahlring aber eine wärmeableitende Brücke bildet und insofern noch eine relativ hohe Wärmemenge an die benachbart liegenden Bauteile abgegeben wird.
In dem Aufsatz: »PSZ Ceramics for Adiabatic Engine Components« von AtOods/Oda, veröffentlicht in SAE Technical Papers, Febr. 1982, ist ein weiterer Kolben mit einem Bauteil aus Zirkonoxid beschrieben. Das eine Brennmulde aufweisende Zirkonoxidbauteil weist einen Kragen auf, der randseitig in einen aus Eisen bestehenden Kolbenschaft eingeschrumpft ist Da der Kolbenschaft bündig mit dem Kragen abschließt besteht auch hier der Nachteil einer nicht vollkommenen Isolierung, denn der Randbereich des Kolbenschaftes bildet eine wärmeleitende Brücke. Ein weiterer Nachteil dieses Kolbens besteht darin, daß als Material zur Herstellung des Kolbenschaftes im wesentlichen nur Eisen in Frage kommt, weil seine thermische Ausdehnung im wesentlichen der von Zirkonoxid entspricht Die meisten Stähle und das vielfach verwendete Aluminium sind infolge ihrer höheren thermischen Ausdehnung dagegen nicht geeignet und würden bei entsprechender Erhitzung zu einer Lockerung des eingeschrumpften Zirkonoxidbauteils führen.
Eine Weiterführung dieses Vorschlages mit einer Überdeckung des metallischen Kolbenschaftes durch den Kragen des Zirkonoxidbauteils und einer Schrumpfverbindung zwischen metallischem Kolbenschaft und dem unterhalb des Kragens liegenden Bereich des Zirkonoxidbauteils würde zwar eine vollständige Isolierung schaffen, jedoch verspricht eine solche Schrumpfverbindung nur eine minimale Sicherheit gegenüber einer Lockerung des Bauteils.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Konstruktion eines Kolbens, bei dem ein metallischer Kolbenschaft mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid verbunden ist. Die Erfindung will die Isolierwirkung gegenüber dem Brennraum verbessern, indem sie die Bildung von wärmeableitenden Brücken vermeidet. Gleichzeitig will die Erfindung unter Ausnutzung der bekannt guten Isolierwirkung von Zirkonoxid eine Kolbenkonstruktion zur Verfügung stellen, die das Auftreten von thermisch induzierten Spannungsrissen in aus Zirkonoxid hergestellten Bauteilen vermeidet Ferner will die Erfindung eine feste und betriebssichere Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilen bewir-
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale
Durch die vorliegende Erfindung ist damit ein Kolben geschaffen, der brennraumseitig vollkommen durch ein wärmeisolierendes Bauteil abgedeckt ist und dadurch die Bildung von Wärmebrücken vermeidet Die einzelnen Bauteile weisen einen absolut sicheren und festen Sitz unter Betriebsbedingungen auf. Durch die Ausbildung des Kolbens bzw. seiner Bauteile steht der Kegelstumpfbereich des Zirkonoxidbauteils unter Druckspannung, wodurch kritischen, durch thermische Belastung induzierten tangentiaien Zugspannungen entgegengewirkt wird, wobei die Vorspannungen nach Maßgabe einer Spannungsanalyse über den Kegelwinkel variiert werden können. Die unter Berücksichtigung der Eigenschaften von teilstabilisiertem Zirkonoxid entwikkelte konstruktive Gestaltung des Kolbens ermöglicht in vorteilhafter Weise auch die Verwendung von Aluminium als Material zur Herstellung des Kolbenschaftes, womit gegenüber den bisher bekannten Kolben mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem ZirkonoxM sich der Vorteil einer Gewichtsersparung ergibt. In einer in konstruktiver Hinsicht besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Kolben dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenwand des Außenringes Koibenringnuten eingelassen sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Außenring aus Stahl.
In einer geeigneten Ausführungsform besteht auch das ringförmige Bauteil aus Stahl, in besonders bevorzugter Ausführungsform besteht das ringförmige Bauteil jedoch ebenfalls aus teilstabilisiertem Zirkonoxid.
Als besonders geeignet zur Einstellung geeigneter Zugspannungen hat sich ein Bauteil aus Zirkonoxid erwiesen, bei dem der Neigungswinkel <x zwischen der geraden Kegelstumpfmantellinie und der Berührungsebene von Bauteil und Kolbenschaft zwischen 70° und 85",VOrZUgSWeISeZWiSChCnZS0 und 82° liegt
Um thermisch induzierten Spannungen in konstruktiver Hinsicht entgegenzuwirken, sieht die Erfindung in einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform vor, daß die Innenkontur des ringförmigen Bauteils der kegelstumpfförmigen Ausbildung des Bauteils in dessen Obergangsbereich vom oberen in den unteren Bereich nicht vollständig angepaßt Lt. In zweckmäßiger Ausführungsform weist das ringförmige Bauteil in diesem Bereich eine Abrundeng oder eine Fase auf.
Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung der Erfindung, ohne daß die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigt
F i g. 1 einen Längsschnitt durch ein AusfGhrungsbeispiel des Kolbens,
F i g. 2 eine Darstellung des ringförmigen Bauteils in perspektivischer Darstellung,
F i g. 3 eine Ausführungsform des Kolbens im Schnitt, bei dem das ringförmige Bauteil eine Abschrägung im oberen Teil seiner Innenkontur aufweist, so daß es der kegelstumpfförmigen Ausbildung nur teilweise entspricht.
Bei dem in F Ϊ g. 1 dargestellten Kolben i erstreckt sich ein Bauteil 3 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid in dem dem nicht gezeigten Brennraum begrenzenden Bereich 5 des Bauteils 3 über den gesamten Querschnitt des Kolbens 1. Ir. seinem, einem Kolbenschaft 7 aus Aluminium zugewandten Bereich 6 geht das Bauteil 3 in einen Kegelstumpf ülx.-r. der einen Neigungswinkel ex — 80° — gemessen zwischen gerader Kegeistumpfmantellinie und Berührungsebene ß-von Bauteil 3 und Kolbenschaft 7 — aufweist Der größere Durchmesser dl des Kegelstumpfes von Bauteil 3 liegt an der Berüiirungsebene B von Bauteil 3 und Kolbenschaft 7. Der Kolbenschaft 7 ist in seinem dem Bauteil 3 zugewandten Bereich 10 ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei auch hier der größere Durchmesser dl in der Berührungsebene B mit dem Kegelstumpf des Bauteils 3
ίο liegt und gleich dem Kegelstumpfdurchmesser des Bauteils 3 in dieser Berührungsebene B ist In seinem auf den oberen kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereich 10 folgenden unteren Bereich 11 weist der Kolbenschaft 7 eine zylinderförmige Form auf.
Ein ringförmiges, in Richtung der Längsachse Lz des Kolbens 1 zweigeteiltes ringförmiges Bauteil 13 aus teilstabilisiertem-Zirkonoxid, dessen Innenkonturen 14 den kegelstumpfförmig ausgebildeten Bereichen 6 und 10 des Bauteils 3 und des Kolbenschahes 7 entsprechen, umfaßt diese Bereiche des Kolbenschaftes 7 und des Bauteils 3 aus Zirkonoxid. Durch e!nen nach Erhitzen auf 4000C über das ringförmige iiiuteil 13 und den Schaft 7 geschobenen Außenring 15 aus Stahl sind nach dessen Erkalten das Bauteil 3, der Kolbenschaft 7 und das ringförmige Bauteil 13 miteinander verbunden. Der Außenring 15 entspricht in seinem Innendurchmesser dem Außendurchmesser des Schaftes 7.
Mit 18 ist eine Brennmulde bezeichnet, die im oberen Bereich 5 des Kolbenbodens angeordnet ist Der Außenring 15 weist in seiner Außenwand 17 eingelassene Kolbenringnuten 16 zur Aufnahme von nicht gezeigten Kolbenringen auf. Der Außenring 15 endet oberhalb des Kolbenbolzennabenpaares 4. Gemäß einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der Außenring 15 aber auch so ausgebildet sein, daß er den gesamten unteren Bereich 11 des Schaftes 7 umfaßt
Bei dem in F i g. 2 gezeigten ringförmigen Bauteil 13 ist mit 14 die Innenkontur zur Umklammerung des kegelstumpfförmig ausgebildeten unteren Bereichs 6 des Bauteils 3 und des kegelstumpfförmig ausgebildeten oberen Bereichs 10 des Kolbenschaftes bezeichnet Entlang der Linie L 1, L 2, die durch die Längsachse L 3 des Kolbens 1 führt, ist das ringförmige Bauteil 13 zweigeteilt.
F i g. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung ein nur teilweise dargestelltes ringförmiges Baute:! 13, dessen obere spitze Kante im Bereich Sunter Bildung einer Fase 19 abgefast ist Durch diese Ausbildung des ringförmigen Bauteils 13 bleibt bei der Montage ein Leerraum 12 an der Außenkontur 2 des ebenfalls nur teilweise dargestellten Bauteils 3 unterhalb des Übergangsbereiches i/l.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche:
    L Kolben mit einem metallischen Kolbenschaft und einem mittels einer Schrumpfverbindung damit verbundenen, den Brennraum begrenzenden, ggf. eine Brennmulde aufweisenden Kolbenboden mit einem Bauteil aus teilstabilisiertem Zirkonoxid, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    10
    a) das Bauteil (3) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid erstreckt sich im den Brennraum begrenzenden Bereich (5) des Kolbenbodens über den gesamten Querschnitt des Kolbens (1),
    b) das Bauteil (3) ist in seinem dem metallischen Kolbenschaft (7) zugewandten Bereich (6) kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der größere Durchmesser (d2) des Kegelstumpfes in der Berührungsebene (B) mit dem Kolbenschaft (7) liegt,
    c) der Ko&enschaft (7) ist in seinem dem Bauteil (3) zugewandten Bereich (10) kcgeisturnpfförmig ausgebildet, wobei der größere Durchmesser (d2) des Kegelstumpfes in der Berührungsebene (BJmh dem Kegelstumpf des Bauteils (3) liegt und gleich dem Kegelstumpf-Durchmesser des Bauteils (3) in dieser Berührungsebene (B) ist,
    d) der Kolbenschaft (7) ist in dem dem kegelstumpf förmigen Bereich (10) folgenden Bereich (11) zylinderförmig ausgebildet,
    e) das Baut<'H{3) und der Kolbenschaft (7) werden im Bereich ihrer kegelstumöfförmigen Teile (6, 10) durch ein in Richtung der Längsachse (L3) des Kolbens (1) zweigeteiltes ringförmiges Bauteil (n3) mit einer den kegelstumpfförmigen Ausbildungen (6, 10) des Bauteils (3) und des Kolbenschafts (7) entsprechenden Innenkontur (14) und einem auf das ringförmige Bauteil (13) aufgeschrumpften Außenring (15) miteinander verbunden.
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