DE3542915C2

DE3542915C2 -

Info

Publication number: DE3542915C2
Application number: DE3542915A
Authority: DE
Inventors: Issei Nagoya Aichi Jp Hayakawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1985-12-04
Publication date: 1989-04-20
Also published as: US4887518A; FR2574124A1; DE3542915A1; JPS61135961A; FR2574124B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben mit einem keramischen Kolbenboden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kolben, wie er in der DE-OS 27 36 815 gezeigt ist, weist einen metallischen Kolbenmantel und einen keramischen Kolbenboden auf, der in eine Vertiefung im oberen Bereich des Kolbenmantels eingesetzt ist. Der Kolbenboden wird mittels eines Spannringes, der ein Außengewinde aufweist und über dieses mit einem am Kolbenmantel ausgebildeten Innengewinde in Eingriff steht, in seiner Lage bezüglich des Kolbenmantels gehalten. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik und Metall sehr unterschiedlich sind, kann sich die Befestigung zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenmantel während des Betriebes der Brennkraftmaschine lösen, wodurch die Funktionsfähigkeit des Kolbens erheblich beeinträchtigt ist. Des weiteren treten infolge der Verspannung des Kolbenbodens mittels des Spannringes hohe örtliche Spannungen auf, die bei einem Bauteil aus einem spröden Werkstoff, beispielsweise Keramik, zum Bruch führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Kolben derart weiterzubilden, daß eine sichere Befestigung des keramischen Kolbenbodens in dem metallischen Kolbenmantel auch bei einer hohen Belastung des Kolbens infolge des Betriebes der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Direktverschraubung des keramischen Kolbenbodens und des metallischen Kolbenmantels mittels eines speziellen Rundgewindes mit einem Verhältnis der Gewindehöhe zur Gewindesteigung im Bereich von 1 : 5 bis 1 : 1 ist gewährleistet, daß das Auftreten von Spannungsspitzen, die zum Bruch des Kolbenbodens führen können, aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenmantel und aufgrund der Vermeidung von Kanten und Kerben, deren Vorhandensein zu hohen Kerbspannungen führt, weitgehend vermieden wird. Die Spannungskomponente, die ein Lösen des Kolbenbodens bewirkt, ist dabei erheblich verringert. Mit der Anbringung eines Sicherungsteils ist des weiteren eine Relativdrehung zwischen dem Kolbenboden und dem Kolbenmantel ausgeschlossen, so daß bei einer derartigen Befestigung des Kolbenbodens am Kolbenmantel sowohl ein Bruch des Kolbenmantels infolge zu hoher Spannungsspitzen als auch ein gegenseitiges Lösen dieser beiden Bauteile vermieden wird.

Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Fig. 1 bis 4 sind Schnittansichten bevorzugter Ausführungsbeispiele des Kolbens mit keramischem Kolbenboden.

Fig. 1 zeigt einen Kolben mit einem keramischen Kolbenboden als ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei ein keramischer Kolbenboden 4 im oberen Bereich eines metallischen Kolbenmantels 1 angeordnet ist und über einen Außengewindeabschnitt 5, der an der äußeren Umfangsfläche des keramischen Kolbenbodens 4 ausgebildet ist, mit einem Innengewindeabschnitt 3 verschraubt ist, der an einer am oberen Abschnitt des metallischen Kolbenmantels 1 vorgesehenen Vertiefung 2 ausgebildet ist. Der keramische Kolbenboden 4 und der metallische Kolbenmantel 1 sind an einer gegenseitigen Verdrehung mittels eines Sicherungsteils 6, hier in Form eines Stiftes, der im Kolbenbodenbereich verschweißt ist, gehindert.

Als Materialien zum Aufbau des keramischen Kolbenbodens 4 können Oxide, z. B. Al₂O₃, ZrO₂ und MgAl₂O₄, Karbide, z. B. SiC, B₄C und TiC, Nitride, z. B. Si₃N₄, AlN und TiN, Oxynitride, z. B. Sialon, zusammengesetzte Materialien, z. B. faserverstärkte Keramiken, Cordierit, Glaskeramiken usw. verwendet werden. Unter diesen wird Si₃N₄, das einen außerordentlichen Wärmestoßwiderstand und eine hohe Hitzebeständigkeit aufweist, als Material zur Bildung des keramischen Kolbenbodens 4 bevorzugt.

Als Verfahren zur Formgebung des keramischen Kolbenbodens 4 kann ein Stanzpreßverfahren, ein Schlemmgußverfahren, ein Spritzgußverfahren oder ähnliches Verwendung finden. Unter diesen besitzen das Schlemmgußverfahren und das Spritzgußverfahren Vorteile, da sie Formen ergeben, deren äußere Form nahe denen des Endproduktes liegt. Die sich aus diesen Formgebungsverfahren ergebenden Formen werden kalziniert und, falls nötig, roh bearbeitet, und schließlich gebrannt und abschließend bearbeitet.

Als Gewindeabschnitte 3 und 5, die am keramischen Kolbenboden 4 und am metallischen Kolbenmantel 1 ausgeführt werden, können Rundgewinde mit einem Verhältnis der Gewindehöhe zur Gewindesteigung zwischen 1 : 5 und 1 : 1, bevorzugterweise zwischen 1 : 4 und 1 : 2 verwendet werden.

Der Steigungswinkel des Gewindes sollte bevorzugterweise in einem Bereich zwischen 0,5° bis 1,5° liegen. Dies liegt darin begründet, daß, wenn der Steigungswinkel größer als 1,5° ist, die Gewindesteigung größer wird, so daß die auf den Gewindeabschnitt der Keramik wirkende Spannung ebenfalls ansteigt, während, wenn der Steigungswinkel kleiner als 0,5° ist, das Einschrauben erschwert wird und das Gewinde auf der metallischen Seite während des Schraubens abbrechen kann.

Der Zwischenraum zwischen dem Außen- und dem Innengewindeabschnitt 3 und 5 sollte so gering wie möglich sein und kann allgemein durch die Herabsetzung der Oberflächenrauheit der Gewindeabschnitte 3 und 5 verringert werden. Vorteilhafterweise sollte der Zwischenraum um so schmaler ausgeführt werden, je größer der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen der Keramik und dem Metall ist. Bevorzugterweise sollte der Zwischenraum auf nicht mehr als 1/10 der Gewindehöhe festgesetzt werden.

Als maschinelle Vorrichtung zum Schneiden des Gewindeabschnittes 5 am keramischen Kolbenboden 4 kann eine Gewindeschleifmaschine, eine Drehbank oder eine spitzenlose Rundschleifmaschine mit einem Vorschubmechanismus verwendet werden. Der metallische Kolbenmantel 1 kann gemäß einer üblichen Methode gearbeitet werden.

Um den Einfluß zu mindern, der infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des keramischen Kolbenbodens 4 und des metallischen Kolbenmantels 1 auftritt, können sie mittels eines Expansionsmontageverfahrens, wobei der keramische Kolbenboden 4 mit Hilfe flüssigen Stickstoffs abgekühlt und dann in den unter Normaltemperatur gehaltenen metallischen Kolbenmantel 1 eingeschraubt wird, oder mittels eines Schrumpfungsmontageverfahrens eingepaßt werden, wobei der erhitzte metallische Kolbenmantel 1 mit dem unter Normaltemperatur gehaltenen keramischen Kolbenboden 4 verschraubt wird.

Die Begrenzung des Verhältnisses der Gewindehöhe der Rundgewindeabschnitte 3 und 5 zur Gewindesteigung auf 1 : 5 bis 1 : 1 liegt darin begründet, daß, bei einem Vergleich unter Berücksichtigung der gleichen Gewindesteigungslänge, bei einem Verhältnis über 1 : 1 die Spannungen im Außengewindeabschnitt 5 der Keramik konzentrierter auftreten, so daß die Gefahr besteht, daß der Außengewindeabschnitt 5 der Keramik bricht, während bei einem Verhältnis unterhalb 1 : 5 die Spannungskomponente, die in die Richtung wirkt, in die der keramische Kolbenboden 4 gelöst wird, sich vergrößert, so daß die Gefahr besteht, daß sich der keramische Kolbenboden 4 aufgrund der Hin- und Herbewegung des Kolbens löst.

Als ein Beispiel wurde ein Kolbenboden aus Siliziumnitrid mit einem äußeren Durchmesser von 65 mm und einem Verhältnis der Gewindehöhe zur Gewindesteigung sowie einem Steigungswinkel gemäß Tabelle 1 in der in Fig. 1 dargestellten Art und Weise in einen Kolbenmantel aus Aluminium geschraubt, der einen äußeren Durchmesser von 100 mm aufwies. Der mit dem keramischen Kolbenboden versehene Kolben, an den ein Sicherungsstift gegen Drehen angeschweißt worden war, wurde in eine Dieselbrennkraftmaschine eingebaut, die einem 100-Stunden-Festigkeitstest bei einer Drehzahl gemäß Tabelle 1 unterworfen wurde. Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, wurde bei den Kolben Nr. 2 bis 10, in denen das Verhältnis zwischen der Gewindehöhe und der Gewindesteigung in einem Bereich von 1 : 1 bis 1 : 5 liegt, bei einer Drehzahl nicht unter 2200 min^-1 nichts Ungewöhnliches festgestellt. Andererseits wurde bei den Kolben Nr. 1 und 11, in denen das Verhältnis zwischen der Gewindehöhe und der Gewindesteigung 2 : 1 bzw. 1 : 7 beträgt, bei einer Drehzahl von nicht mehr als 2000 min^-1 ein Bruch oder Spiel des Kolbenbodens nach dem Test festgestellt.

Tabelle 1

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem ein keramischer Kolbenboden 4 unter Zwischenfügung eines Pufferelementes 7, das in einer Vertiefung 2 eines metallischen Kolbenmantels 1 vorgesehen ist, in den metallischen Kolbenmantel 1 geschraubt ist. Das Material des Pufferelementes 7 sollte bevorzugterweise eine hohe Hitzebeständigkeit und eine hohe Elastizität aufweisen. Als Beispiele seien bevorzugterweise Kohlenstoffaser, Keramikfaser, z. B. Aluminiumoxid- und Asbestfaser, eine Metallfeder, eine Unterleg- oder Dichtungsscheibe und eine Metallfolie bzw. -blech erwähnt. Bei Anbringung des Pufferelementes 7 kann der ungleichförmige Spalt zwischen der Unterseite des keramischen Kolbenbodens 4 und dem metallischen Kolbenmantel 1 außerordentlich verringert werden, wodurch Spiel verhindert und ein fester Sitz gewährleistet ist, während der große Wärmeausdehnungsunterschied zwischen dem keramischen Kolbenboden 4 und dem metallischen Kolbenmantel 1 gemindert wird. Dadurch kann sowohl ein Bruch infolge einer Spannungskonzentration als auch Spiel und ein Herausgleiten des keramischen Kolbenbodens verhindert werden.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem das Profil des unteren Abschnittes des keramischen Kolbenbodens 4 in einer stumpfkegeligen Form ausgebildet ist, wobei eine sich verjüngende Oberfläche mit einer ebenen Oberfläche verbunden ist.

Obgleich die ebenen Profile, wie sie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt sind, hinsichtlich der Durchführbarkeit der Herstellung bevorzugt werden, können die vorteilhaften Wirkungen ebenso bei Verwendung eines Kolbens, der einen Kolbenboden mit einer stumpfkegeligen unteren Oberfläche aufweist, erzielt werden. Außer dem stumpfkegeligen Profil für den unteren Bereich können verschiedene Profile, wie z. B. eine kugelige Form oder eine zylindrische Form verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem ein keramischer Kolbenboden 4 im oberen Bereich mit einem Flanschabschnitt 8 versehen ist, um die gesamte obere Oberfläche des Kolbenmantels 1 mit dem keramischen Kolbenboden 4 abzudecken. Ein Sicherungsteil 6 gegen Drehen ist von der Unterseite des Kolbenmantels 1 durch ein Loch 9, das in dem Kolbenmantel 1 ausgebildet ist, eingesetzt und ist durch Schweißen an dem Kolbenmantel 1 befestigt.

In diesem Ausführungsbeispiel kann zusätzlich dazu, daß ein Bruch, Spiel und ein Herausgleiten des keramischen Kolbenbodens 4 verhindert wird, die Hitzebeständigkeit des Kolbens vorteilhaft gesteigert werden, wenn die gesamte obere Oberfläche des Kolbens mit Keramik bedeckt ist.

Wenn der keramische Kolbenboden 4 und der metallische Kolbenmantel 1 gegenseitig durch die Rundgewinde, die ein besonderes Profil aufweisen, gesichert sind, kann sowohl ein Herausgleiten des keramischen Kolbenbodens 4 aus dem metallischen Kolbenmantel 1 während des Betriebes als auch das Auftreten lokaler Spannungsspitzen am keramischen Kolbenboden 4 vermieden werden.

Claims

1. Kolben mit einem keramischen Kolbenboden und einem metallischen Kolbenmantel, in dessen oberem Bereich eine Vertiefung ausgebildet ist, in die der Kolbenboden eingesetzt ist, wobei an der inneren Umfangsfläche der Vertiefung ein Innengewindeabschnitt ausgebildet ist, mit der ein Außengewindeabschnitt zur Befestigung des Kolbenbodens in Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet,
daß der Außengewindeabschnitt (5) an der äußeren Umfangsfläche des keramischen Kolbenbodens (4) ausgebildet ist,
daß der Innengewindeabschnitt (3) und der Außengewindeabschnitt (5) in Form eines Rundgewindes ausgebildet sind,
daß zwischen dem Außen- (5) und dem Innengewindeabschnitt (3) ein Sicherungsteil (6) zur Verhinderung einer Drehung des Kolbenbodens (4) bezüglich des Kolbenmantels (1) angeordnet ist und
daß das Verhältnis der Gewindehöhe oder -tiefe zur Gewindesteigung zwischen 1 : 5 und 1 : 1 liegt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pufferelement (7) zwischen der Unterseite des keramischen Kolbenbodens (4) und dem metallischen Kolbenmantel (1) vorgesehen ist.