DE3406479A1

DE3406479A1 - Kolben fuer brennkraftmaschinen und verfahren zur herstellung des kolbens

Info

Publication number: DE3406479A1
Application number: DE19843406479
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 8850 Donauwörth Neumann
Original assignee: Sigri Elektrographit 8901 Meitingen GmbH; Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1984-02-23
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1985-08-29

Description

SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den ^{22>
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Kolben für Brennkraftmaschinen und Verfahren zur Herstellung des Kolbens

Die Erfindung betrifft einen Kolben für Brennkraftmaschinen aus faserverstärktem Kohlenstoff mit Kolbenboden, Kolbenschaft, Kolbenbolzenaugen und einem in den Kolbenschaft eingelassenen Innenkörper.

Aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff - im folgenden CFC genannt - bestehende Kolben haben, verglichen mit Kolben aus metallischen Werkstoffen eine kleinere Masse, eine sehr viel kleinere Wärmedehnung und eine vergleichsweise kleine Wärmeleitfähigkeit. Ein anderer Vorteil von Kolben aus CFC ist ihre.Temperaturbeständigkeit, die Arbeitstemperaturen weit über 1000 ⁰C zuläßt, soweit dabei der Kontakt des Kolbens mit Oxidationsmitteln ausgeschlossen ist. Die kleine Masseträgheit, der geringe Wärmeaustausch und die hohe Arbeitstemperatur eines derartigen Kolbens haben Versuche angeregt, die Vorteile des Werkstoffs zu nutzen, Kolben aus CFC herzustellen und in Brennkraftmaschinen zu verwenden. Die hauptsächlichen Probleme sind dabei die werkstoffgerechte Auslegung des Kolbens und seine kostengünstige Herstellung. Durch die DE 29 12 786 B1 ist ein Kolben aus CFK bekannt, bei welchem die in eine Kohlenstoffmatrix eingebetteten Verstärkungs-

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fasern in Kraftflußrichtung verlaufen. Die Kohlenstofffasern sind entsprechend im Kolbenschaft in Umfangsrichtung, im Kolbenboden in Umfangsrichtung, diametral und kreissehnenartig und im Bereich der Kolbenbolzenäugen um die Bolzenaugen herum angeordnet. Zur Herstellung des Kolbens werden mit einem carbonisierbaren Medium imprägnierte Faserbündel oder Taue in einem Zug auf einen Kern gewickelt, und der Wickelkörper wird nach einer Nachformung unter Druck und Entfernung des Kerns zur Carbonisierung des Imprägniermittels auf eine Temperatur oberhalb von 1000 ⁰C erhitzt.. Das einstufige Wickelverfahren dürfte sich kaum für eine Massenfertigung eignen und es ist deshalb eine Weiterbildung vorgeschlagen worden, die frei von diesem Mangel sein soll (DE 30 40 125 A1).

Der Kolben, besteht bei der verbesserten Lösung aus dem separat gefertigten Kolbenboden und dem Kolbenschaft, die formschlüssig miteinander verbunden sind und einem Innenkorpus, der mit dem Kolbenboden und dem Kolbenschaft verbunden ist. Zur Herstellung dieses Kolbens wird der Innenkorpus auf einen Kern gewickelt, auf den Innenkorpus der vorgefertigte Kolbenboden aufgesetzt und der Kolbenschaft in Form einer Umfangswicklung aufgebracht. Der tatsächlichen Belastung des Kolbens im Betrieb wird durch eine entsprechende Faserorientierung und durch eine variabele Querschnittsstärke Rechnung getragen. Diese Maßnahmen vergrößern andererseits den fertigungstechnischen Aufwand, zumal größere Querschnittsänderungen größere Maßabweichungen bei der thermischen Behandlung des zusammengesetzten Kolbens bedingen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen aus geometrisch einfachen Elementen zusammengesetzten Kolben zu schaffen, der einen .im wesentlichen konstanten Querschnitt hat und sich für die Massenfertigung eignet.

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Die Aufgabe wird mit einem Kolben der eingangs genannten Art gelöst, der wie folgt gekennzeichnet ist -

a) Kolbenschaft.. 1, Innenkörper 4 und Kolbenbolzenaugen 3¹/ 3" bestehen aus hohlzylindrischen Wickelkörpern/

b) die Achsen der Wickelkörper sind.senkrecht zueinander angeordnet,

c) Innenkörper 4.und Kolbenschaft 1 sind formschlüssig miteinander verbunden und bilden den Kolbenboden 7,

d) die Kolbenbolzenaugen 3', 3" sind in Durchbrechungen 2, 5 des Kolbenschafts und des Innenkörpers eingelassen.

Unter dem Begriff "Wickelkörper" werden aus Rovings, unidirektional verstärkten Bändern (prepreg) oder Gewebelagen gewickelte und durch Legen zugeschnittener Gewebelagen hergestellte gestreckte Hohlkörper, besonders hohlzylindrische Körper verstanden. Die Wickelachsen der Körper oder Elemente des Kolbens sind im Kolben senkrecht zueinander angeordnet, wodurch im einzelnen Element und im Kolben die Orientierung der Verstärkungsfasern eindeutig festgelegt ist und der Beanspruchung des Kolbens angepaßt werden kann. Der Kolbenboden ist gemeinsam vom Kolbenschaft und dem Innenkörper gebildet, wobei der Innenkörper formschlüssig in den Kolbenschaft eingeschoben ist. Innenkörper und Kolbenschaft sind mit fluchtenden Bohrungen zur Aufnahme der Kolbenbolzenaugen versehen, die Innenkörper und KojLbenschaft kraftschlüssig verbinden. Die Verbindung kann in bekannter Weise durch Kleben, Verstiften oder Klemmringe gesichert werden. Die

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im wesentlichen hohlzylindrischen, eine fast konstante Wandstärke aufweisenden Elemente des Kolbens lassen sich einfach herstellen, die Abweichungen vom Sollmaß bei der thermischen Behandlung sind klein und durch die vorgegebene Faserorientierung kann eine günstige Überleitung der am Kolben anliegenden Kräfte erzielt werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die verstärkenden Kohlenstoffasern in Form von Gewebelagen in den CFC-Elementen angeordnet und die Fasern des Gewebes verlaufen in einem Winkel zur Drehachse des Wickelkörpers. Zur Aufnahme hoher Druckspannungen sind beispielsweise Elemente mit der Faserorientierung ± 45 besonders geeignet. Eine Folge der bevorzugten Faserorientierung ist die Anisotropie der CFC-Elemente, die etwa wegen der richtungsabhängigen thermischen Dehnung oder Wärmeleitung besonders bei hohen Arbeitstemperaturen nachteilig sein kann. Zur Verminderung dieses Effekts sind in einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Kohlenstofffasern in aufeinanderfolgenden Lagen eines Wickelkörpers oder Elements derart angeordnet, daß der Neigungswinkel gegen die Drehachse in. aufeinanderfolgenden Lagen unterschiedlich ist.

Zur Herstellung der den Kolben bildenden Elemente werden mit einem härtbaren Kunstharz oder einem Pech imprägnierte Kohlenstoffasern, Faserbänder oder Gewebe auf gestreckte vorzugsweise zylindrische Kerne gewickelt. Die Kernformen für Kolbenschaft, Innenkörper und Kolbenbolzenäugen sind verschieden, ihre äußeren Durchmesser entsprechen unter Berücksichtigung der Schwundmaße beim Härten und Carbonisieren dieser Elemente derem Innendurchmesser. Gegebenenfalls nach einer Druckformung werden die. Wickelkörper einer Temperaturbehandlung unterworfen, gege- benenfalls ebenfalls unter Druck, und dabei das Imprä-

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gnierharz zunächst gehärtet und anschließend wie das Imprägnierpech verkokt. Die Verkokung erfolgt unter einer inerten Atmosphäre, die Maximaltemperatur beträgt etwa 800 bis 1100 °C. Gemäß einer Ausführungsform werden die thermisch behandelten.Wickelkörper in Abschnitte zerlegt/ die Abschnitte spanend bearbeitet und zu dem. erfindungsgemäßen Kolben zusammengesetzt. Der Kolben wird dann mit einem Kunstharz oder Eech imprägniert, der oben beschriebenen thermischen Behandlung unterzogen und dieser Zyklus sooft wiederholt, bis der Kolben die geforderten Eigenschaften hat (Dichte, Härte, Permeabilität usw.). Dieses Verfahren ist insoweit von Vorteil, als nicht nur die Eigenschaften des Kolbens verbessert, sondern auch die einzelnen Elemente des Kolbens durch Koksbrücken miteinander verklammert.werden. Nachteilig ist eine zweite spanende Bearbeitung des Kolbens nach der oder den Imprägnierungen .

Bevorzugt wird deshalb ein Verfahren, bei welchem die Wickelkörper zunächst imprägniert und zur Carbonisierung des Imprägniermittels erhitzt und diese Verfahrensschritte bis zur Einstellung der vorgegebenen Körpereigenschaften wiederholt werden. Die Wickelkörper werden erst dann spanend bearbeitet, die Elemente wie oben beschrieben zusammengesetzt und falls nötig, die Kolbenbolzenaugen mit dem Kolbenschaft und den Innnenkörper verklebt oder verstiftet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - die den Kolben bildenden Wickelkörper und ihre Orientierung,

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Fig. 2 - einen erfindungsgemäßen Kolben im Schnitt,

Fig. 3 a - d - rohrförmige Wickelkörper für die Herstellung des Kolbenschafts (a), der Kolbenbolzenäugen (b) und des Innenkörpers (c).

In der Fig. 1 sind die geometrisch einfach geformten spanend bearbeiteten Teile des Kolbens vor seinem Zusammenbau dargestellt. Der hohlzylindrische Kolbenschaft 1 ist mit Ausnehmungen 2 zur Aufnahme der Kolbenbolzenaugen 3¹ und 3" versehen. Der Innenkörper 4, dessen kegelstumpfförmiger Kopfteil durch Abdrehen des Wickelkörpers hergestellt wird, weist Bohrungen 5 zur Aufnahme der Kolbenbolzenaugen 3¹, 3" und Durchbrechungen 6 zur Aufnahme des Pleuels auf. Das Koordinatenkreuz gibt die Lagen der Wickelachsen der Elemente an. Die Wickelachse des Innenkörpers 4 erstreckt sich in x-Richtung, die Achse der Kolbenbolzenaugen 3', 3" in y-Richtung und die Achse des Kolbenschafts in z-Richtung, so daß auch die die Wickelkörper bildenden Gewebelagen senkrecht zueinander angeordnet sind. Ein Schnitt des erfindungsgemäßen Kolbens ist in Fig. 2 dargestellt. In den Kolbenschaft 1 ist der Innenkörper 4 eingeschoben, deren Stirnflächen 7 und 8 den Kolbenboden bilden. Die Kolbenbolzenaugen 3', 3" stellen eine formschlüssige Verbindung zwischen Kolbenschaft 1 und Innenkörper 4 her. Verschleißbeständige metallische Lagerbüchsen 9- sind in bekannter Weise in die Kolbenbolzenaugen eingesetzt. Zeichnerisch nicht dargestellt sind die Kolbenringnuten und gegebenenfalls auf die Oberfläche des Kolbens, vor allem auf den Kolbenboden, aufgebrachte Beschichtungen zur Erhöhung der Erosions- und Oxidationsbeständigkeit.

Zur Herstellung der Kolbenteile oder Elemente verwendet man wie in Fig. 3 beispielhaft ausgeführt, rohrförmige Wickelkörper, deren Kontur den Querschnittsformen dieser

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.9-

Teile entspricht. Als Kerne für den Körper a verwendet man verlorene Kerne/ beispielsweise aus Schaumkunstharzen, die sich bei der thermischen Behandlung des Wickelkörpers rückstandslos zersetzen, oder zusammengesetzte aus gegeneinander beweglichen Teilstücken bestehende Kerne. Die bevorzugt aus Gewebelagen gebildeten Wickelkörper werden mehrfach imprägniert und zur Carbonisierung des Imprägniermittels einer thermischen Behandlung unterworfen, bis die nötigen Stoffeigenschaften erreicht sind. Die Rohrkörper für den Kolbenschaft 1 und die Kolbenbolzenaugen 3', 3" werden dann quer zur Rohrachse entlang der Schnittlinien I-I und II-II in Abschnitte zerlegt, Schnittflächen und Mantelfläche spanend bearbeitet und die Abschnitte des Kolbenschafts zur Aufnahme der Kolbenbolzenaugen mit Bohrungen 2 versehen. Der zur Herstellung des Innenkörpers dienende rohrförmige Körper c wird entlang der Schnittlinie III-III in Abschnitte d und nach Anbringen der Bohrungen 5 zur Aufnahme der Kolbenbolzenaugen längs der Linie IV-IV in zwei gleiche Teile zerlegt, deren Kopfstücke konisch abgedreht und geschliffen werden. Die Teile oder Elemente werden dann zu dem Kolben zusammengesetzt, dessen Oberfläche ganz oder teilweise in an sich bekannter Weise geschliffen und gegebenenfalls mit einem Überzug aus einem oxidationsbeständigen Material, wie Silicium, versehen wird.

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Claims

Patentansprüche 84/3

1.) Kolben für Brennkraftmaschinen aus faserverstärktem Kohlenstoff mit Kolbenboden, Kolbenschaft/ Kolbenbolzenaugen und einem in den Kolbenschaft eingelassenen Innenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Kolbenschaft (1), Innenkörper (4) und Kolbenbolzenaugen (3¹, 3") aus hohlzylindrisch ausgebildeten Wickelkörpern bestehen,

b) die Achsen der Wickelkörper senkrecht zueinander angeordnet sind,

c) Innenkörper (4) und Kolbenschaft (1) formschlüssig miteinander verbunden sind und den Kolbenboden (7) bilden,

d) die Kolbenbolzenaugen (3¹, 3") in Durchbre-

chungen des Kolbenschafts und des Innenkörpefs '

eingelassen sind.

2. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß die Wickelkörper aus Kohlenstoffaser-. Gewebelagen ausgebildet sind.

3. Kolben nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet , daß die Kohlenstoffasern gegen die Achse des Wickelkörpers geneigt sind.

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4. Kolben nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet / daß die Kohlenstoffasern in aufeinanderfolgenden Lagen des Wickelkörpers verschiedene Neigungswinkel haben.

5. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet / daß mit einem carbonisier-

' ■ baren Imprägniermittel imprägnierte Kohlenstoffaserlagen auf Dorne gewickelt und zur Carbonisierung des Imprägniermittels erhitzt werden, die Imprägnierung und thermische Behandlung mehrfach wiederholt wird, die Wickelkörper in Abschnitte zerlegt, spanend bearbeitet und derart zusammengesetzt werden, daß die Wickelachsen senkrecht zueinander angeordnet sind.

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