DE3603038A1

DE3603038A1 - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE3603038A1
Application number: DE19863603038
Authority: DE
Inventors: Shiro Okazaki Aichi Machida; Yorishige Maeda; Atsuo Toyota Aichi Tanaka; Yoshiaki Tatematsu
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 1985-02-02
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1986-08-07
Also published as: US4730548A; DE3603038C2

Description

FtLLMANN - V3IRAMS " OTRUIF Dipl.-Chem. G. Bühling

2 Dipl.-lng. R. Kinne

S- Dipl.-lng. R Grupe

Q β Λ O fi O Q - /» - Dipl.-lng. B. Pellmann

ODUOUOO Dipl.-lng. KGrams

Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München

Tel.: 089-539653 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Telex: 5-24845 tipat

Telecopier: O 89 - 537377 Toyota-shi, Japan cable: Germaniapatent München

31. Januar 1986

^und OE 5536 /

Aisin Seiki Kabushiki Kaisha case TYT,ISK-5325-DE Kariya-city, Japan Leichtmetallkolben

Die Erfindung bezieht sich auf einen faserverstärkten Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen.

Es ist üblich, Kolben für Brennkraftmaschinen als Gußteile aus Leichtmetallegierungen, wie z.B. Al-Legierungen, zu fertigen. Da solche Leichtmetallegierungen im Vergleich zu Stahllegierungen einen größeren linearen Ausdehnungskoeffizienten haben, ist die Hemdpartie des Leichtmetallkolbens einer erheblichen-Wärmeverformung zwischen dem Kaltstart- und dem Warmlauf- oder Betriebszustand der Maschine unterworfen. Wenn die Kolbenhemdpartie so bemessen wird, daß sie einen nur geringen Spielraum zwischen ihrem Außenumfang und der Wand der Zylinderbohrung während des Kaltstarts der Maschine bietet, dann wird die Reibung zwischen dem Kolbenhemd und der Zylinderbohrung im Betriebszustand der Maschine untragbar sowie unzulässig hoch werden, da der Kolbenspielraum in der Bohrung auf Grund der Wärmedehnung der KoI-

benhemdpartie verkleinert wird. Wenn im Gegensatz hierzu der Spielraum groß genug ist, um das oben genannte Problem zu vermeiden, dann wird während des Kaltstarts ein Kolbenschlackern in einem nicht akzeptablen Maß in der Maschine hervorgerufen, was auf den übermäßigen Spielraum zwischen Kolbenhemd und Zylinderbohrung zurückzuführen ist. Um diesen gegensätzlichen Forderungen gerecht zu werden, ist es anzustreben, die Wärmedehnung der Hemdpartie des Leichtmetallkolbens zu unterdrücken, so daß ohne Rücksicht auf die jeweilige Maschinentemperatur ein optimaler Spielraum eingehalten wird.

Eine in der einschlägigen Technik bekannte Lösung sieht vor, die Kolbenhemdpartie vom erhitzten Kolbenboden durch eine Vielzahl von durch die Wand des Kolbenhemds sich rechtwinklig zur Kolbenlängsachse erstreckenden Schlitzen thermisch zu isolieren oder abzutrennen. Oiese Schlitze verbinden die ölringnut mit dem Innenraum des Kolbens und sind in erster Linie dazu vorgesehen, als Öldurchgänge zu dienen, um von der Wand der Zylinderbohrung durch den ölabstreif- oder ölhaltering abgestreiftes öl in das Kolbeninnere zu leiten. Es hat sich gezeigt, daß diese Schlitze als eine Wärmesperre wirken, die einen Wärmeübergang vom Kolbenboden zum Kolbenhemd verhindert. Jedoch geht bei aufgeladenen, schnellaufenden Hochleistungsmaschinen die Tendenz dahin, daß Kolben steigenden, hohen Hitzebelastungen ausgesetzt werden. Insofern ist es bei derartigen Hochleistungsmaschinen anzustreben, die Hitze durch die Kolbenhemdpartie abzuführen, wenngleich der größte Teil der aus dem Brennraum auf den Kolbenboden abgegebenen Hitze in erster Linie über die Kolbenringe auf die Zylinder übertragen wird. Aus diesem Grund geht in jüngerer Zeit das Bestreben bei Hochleistungsmaschinen dahin, die als Wärmesperre wirkenden,

zwischen dem Kolbenboden und Kolbenhemd angeordneten Schlitze zu verkleinern oder sogar gänzlich wegzulassen. Das führt dazu, daß die Temperatur der Kolbenhemdpartie im Vergleich zu den herkömmlichen, nicht aufgeladenen Maschinen um 30° - 4O⁰C erhöht wird, was eine erhebliche Wärmeverformung der Kolbenhemdpartie zum Ergebnis hat.

Eine andere Lösung des angesprochenen Problems sieht vor, innerhalb der Kolbenhemdpartie einen Stahlring als ein Wärmeregelglied, der eine hohe Zugfestigkeit hat, die ausreichend ist, um die Wärmedehnung des Kolbenhemds zu unterbinden, anzuordnen. Das Wärmeregelglied ist ein Einsatzteil, das mittels einer Einsatz-Gießtechnik in die Grundmasse (Matrix) der Leichtmetallegierung eingeformt oder eingefügt wird. Der Nachteil einer solchen Wärmesperre oder -barriere aus Stahl ist u.a. darin zu sehen, daß das Gewicht des Kolbens erhöht wird, womit die Wärmesperre ein Hindernis für die Ausbildung von Kolben mit geringem Gewicht darstellt. Ein anderer Punkt liegt in dem unterschiedlichen Dehnverhalten des Stahls zum Leichtmetall, was bei der Auslegung des Wärmeregelglieds zu berücksichtigen ist.

Es wurde deshalb vorgeschlagen, Wärmeregelglieder, die aus faserverstärkten Leichtmetallegierungen gefertigt sind, an Stelle der Stahl-Wärmeregelglieder zu verwenden, wofür die JP-Patent-Offenlegungsschriften Nr. 59 - 229 033 sowie Nr. 59 - 229 034 und die JP-GM-Offenlegungsschriften Nr. 60 - 12 650, Nr. 60 - 28 246, Nr. 60 - 28 247 und Nr. 60 - 28 248 Beispiele geben. Ein Wärmeregelglied aus faserverstärkten Leichtmetallegierungen besteht aus einem in Umfangsrichtung gewickelten Bündel aus hoch zugfesten anorganischen Fasern, wie

Graphit- oder Siiiziumkarbidfasern, die als integrierter Bestandteil in eine Matrix aus einer Leichtmetalllegierung eingeformt werden, um ein ringförmiges, faserverstärktes Teil innerhalb des abgegrenzten Bereichs der Schulter der Kolbenhemdpartie zu bilden. In diesem faserverstärkten Teil werden die einzelnen Fasern festhaftend mit dem Matrix- oder Grundmetall verbunden. Auf Grund des niedrigen linearen Wärmedehnungskoeffizienten der hoch zugfesten Fasern dient das ringförmige, faserverstärkte Teil als ein Wärmeregelglied, das eine Wärmedehnung des Schulterteils der Kolbenhemdpartie ausschließt.

Die bei der Fertigung von aus Leichtmetallegierungen gegossenen Kolben mit Wärmeregelgliedern, die anorganische Verstärkungsfasern umfassen, zu überwindende Schwierigkeit liegt nun jedoch darin, daß im Grundmetall des Schulterteils des Kolbenhemds in der Nachbarschaft der Grenzlinie oder des Randes des faserverstärkten Metallteils auf Grund des Unterschieds in den linearen Ausdehnungskoeffizienten der Fasern einerseits und der Metrix-Leichtmetallegierung andererseits Risse gebildet werden. Beispielsweise liegt der lineare Ausdehnungskoeffizient einer Al-Legierung im Bereich um 20 χ 16 /⁰C, während der von Graphitfasern etwa -1,2 χ 10" /⁰C beträgt. Das bedeutet, daß dann, wenn der Kolben in Abhängigkeit vom Stillsetzen und erneuten Anlassen der Maschine wiederholt erhitzt wird und dann wieder abkühlt, das im nicht-faserverstärkten Teil nahe dem faserverstärkten Teil befindliche Matrixmetall in erheblichem Ausmaß einer wiederholten Ausdehnung und Zusammenziehung unterliegt, während das innerhalb des faserverstärkten Teils befindliche Matrixmetall auf Grund der Hemmung und Bewegungsbeschränkung durch die Verstärkungsfasern von einer derartigen Ausdehnung im wesentlichen verschont und frei

bleibt. Das hat zum Ergebnis, daß das Matrixmetall im nicht-verstärkten Teil einer hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, die zum Entstehen von Rissen längs der Grenze des faserverstärkten Teils führt, worauf noch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingegangen werden wird.

Ein anderes, bei Kolben, die aus Leichtmetallegierungen gefertigt sind und faserverstärkte Wärmeregelglieder haben, auftretendes Problem folgt aus der in jüngerer Zeit erhobenen Forderung nach einer Verminderung der Länge der Kolben in Richtung ihrer Längsachse. Um diese Forderung zu erfüllen, müssen die in den Kolbenbolzennaben ausgearbeiteten Kolbenbolzenaugen so nahe wie möglich an der Kolbenhemdschulter angeordnet werden. Das führt gezwungenermaßen dazu, daß das Wärmeregelglied bei der maschinellen Ausarbeitung der Kolbenbolzenaugen an- oder durchgeschnitten wird, so daß die Verstärkungsfasern zu den Bolzenaugen hin freiliegen, was die folgenden Nachteile zum Ergebnis hat. Ein Nacht 1 liegt darin, daß, da das faserverstärkte Wärmeregeglied in einem spitzen Winkel ausgeschnitten wird, die Enden (Stirnseiten) des Regelglieds innerhalb der Kolbenbolzenaugen in einer vorspringenden oder freitragenden Weise freiliegen, so daß sie scharfe Kanten oder Zacken bilden. Obwohl bekanntlich verstärkende Fasern, wie Graphitfasern, eine hohe Zugfestigkeit gegen eine in ihrer Längsrichtung aufgebrachte Kraft aufweisen, bieten sie dennoch einen nur geringen Widerstand gegen eine Biegebeanspruchung, die in ihrer Querrichtung aufgebracht wird. Da auf Grund der im Betrieb der Maschine auftretenden Energiestöße die Kolbenhemdschulter wiederholt in der axialen Richtung komprimiert wird, werden Graphitfasern an den freiliegenden Kanten des Wärmeregel-

glieds gebrochen und von der Matrixmetallegierung gelöst Das führt zum Auftreten von Rissen, die von den gebrochenen Kanten ausgehen, und zu einer Verminderung der Standzeit des Kolbens.

Ein zweiter Nachteil ist in den Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung der Kolbenbolzenaugen zu sehen. Da diese Bolzenaugen/dazu bestimmt sind, mit den Kolbenbolzen in Gleitanlage zu sein, müssen die Innenflächen der Bohrungen so bearbeitet werden, daß sie eine bestimmte Oberflächenrauhheit oder -gute besitzen. Zu diesem Zweck wird nach dem Bohren der Bolzenaugen durch die Kolbenbolzennaben die Bohrungsfläche einem Schleifvorgang unterworfen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es schwierig ist, die gewünschte Oberflächengüte zu erlangen, wenn die Bolzenaugen das faserverstärkte Wärmeregelglied schneiden oder durchdringen, weil eine maschinelle Bearbeitung der Graphitfasern nicht ausführbar und möglich ist.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Leichtmetallkolben zu schaffen, der mit einem faserverstärkten Wärmeregelglied ausgestattet und über die gesamte angestrebte Laufzeit der Maschine ohne die Gefahr einer Bildung von schädlichen sowie nachteiligen Rissen verwendbar und zu betreiben ist.

Ein Ziel der Erfindung liegt hierbei darin, einen Leichtmetallkolben mit einem faserverstärkten Wärmeregelglied, bei dessen Herstellung keine großen Schwierigkeiten zu bewältigen sind, zu schaffen.

Ein erfindungsgemäßer Leichtmetallkolben hat ein ringförmiges Wärmeregeglied, das innerhalb und längs des

Schulterteils der Kolbenhemdpartie angeordnet ist. Das Wärmeregelglied umfaßt ein ringförmgies, faserverstärktes Metallteil mit einem Bündel von fortlaufenden, hoch zugfesten anorganischen Fasern, die als integrierter Bestand· teil in die Matrix-Leichtmetallegierung eingeformt oder eingegossen sind. Die Kolbenhemdpartie ist gemäß der Erfindung so ausgestaltet, daß - mit Ausnahme der Bereiehe der Kolbenbolzennaben - ein wesentlicher Teil des Innenumfangs des Wäremregelglieds radial einwärts zum Innenraum der Kolbenhemdpartie oder des Kolbenschafts hin freiliegt.

Bei einer solchen Anordnung und Ausbildung ist innerhalb des Wärmeregelglieds in dessen umlaufenden Bereichen im wesentlichen kein Matrixmaterial vorhanden, die Ausnahme stellen die Bereiche der Kolbenbolzennaben dar. Auf Grund des Fehlens von nicht-faserverstärktem Matrixmetall, das ansonsten, wenn es vorhanden ist, in hohem Maß einer Expansion und Kontraktion ausgesetzt ist, was zur Bildung von Rissen führt, ist der aus einer Leichtmetallegierung gefertigte erfindungsgemäße Kolben frei von dem Problem und der Gefahr einer Rißbildung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die Kolbenbolzenaugen nahe an der Hemdschulter liegen, werden die außenliegenden-Bereiche der Bolzenaugen im Durchmesser vergrößert, so daß diese größeren Bohrungen das Wärmeregeglied mit einem größeren Winkel durchdringen. Damit wird die Länge der Kanten der Verstärkungsfasern in der Umlaufrichtung, die zum Inneren der Hemdpartie freiliegt, vermindert, so daß der Biegewiderstand der Fasern an den freiliegenden Kanten erhöht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung ist darin zu sehen, daß die erweiteren Bohrungsteile nicht

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länger als lastaufnehmende Flächen für den Kolbenbolzen dienen, weshalb es auch nicht notwendig ist, eine Oberflächenrauheit oder -gute dieser erweiteren Bohrungsteile in besonderer, kontrollierter Weise herauszuarbeiten. Die am Kolbenbolzen einwirkenden Belastungen werden lediglich von den kleinkalibrigen, nicht erweiterten Kolbenbolzenaugen aufgenommen, die in üblicher, keine Schwierigkeiten hervorrufender Weise zu einer gewünschten Oberflächengüte bearbeitet werden können, weil diese kleinkalibrigen Bohrungen der Bolzenaugen verstärkende Fasern nicht kreuzen oder durchdringen.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die Innenkanten der erweiterten Bohrungen, die das Wärmeregelglied durchdringen, im rechten Winkel zum Wärmeregelglied ausgebildet, d.h., das Wärmeregelglied wird entlang von Ebenen, die rechtwinklig zur Längserstrekkung der Verstärkungsfasern liegen, durchtrennt. Die Enden des Wärmeregelglieds, die an den Schnitt- oder Trennebenen zum Vorschein kommen, zeigen auf diese Weise keinerlei scharfe oder keilförmige Kanten. Bei dieser Anordnung und Ausbildung besteht keine Möglichkeit für ein Brechen der Faserkanten auf Grund einer axial gerichteten Belastung.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt eines Brennkraftmaschinenkolbens in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform nach der Linie I-I in der Fig. 2;

Fig. 2 den waagerechten Schnitt nach der Linie II-II in der Fig. 1;

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Fig. 3 die vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 durch den Kreis A abgegrenzten Bereichs;

Fig. 4 einen vergrößerten lotrechten Schnitt durch einen Fadenwickelträger mit um diesen gewickelten Graphitfäden;

Fig. 5 einen lotrechten Schnitt nach der Linie V-V in der Fig. 6 durch einen herkömmlichen Leichtmetallkolben;

Fig. 6 den Querschnitt nach der Linie VI-VI in der Fig.5;

Fig. 7 die vergrößerte Darstellung des in Fig. 5 durch den Kreis B abgegrenzten Bereichs;

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Kolbens in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teil des Kolbens von Fig. 8;

Fig. 10 den Schnitt nach der Linie X-X in der Fig.9;

Fig. 11 eine zu Fig. 9 gleichartige Darstellung für eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kolben 10 in der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Gußteil aus einer Leichtmetallegierung, z.B. einer Al-Legierung, und weist einen Kolbenboden 12, einen Kolbenkopf 14, eine ringförmig umlaufende Kolbenringpartie 16, eine Kolbenhemdpartie (Kolbenschaft) 18 und zwei Kolbenbolzennaben 20 auf. Wie bei üblichen Kolben ist die Kolbenringpartie 16 mit einer ersten sowie zweiten Ringnut 22 und 24 für Kolbenringe (Druckringe) und mit einer dritten Ringnut 26 für einen ölabstreif- oder ölhaltering versehen. Die untere Seitenwand der dritten Ringnut 26 stellt ein Teil der Schulter 28 des Kolbenhemds 18 dar. In die Matrix-Metallegierungsmasse, die das Kolbenhemd 18 bildet, ist als ein Stück mit dieser ein ringförmiges Wärmeregelglied 30 eingefügt.

Das Wärmeregelgl ied 30 ist radial einwärts zum Außenumfang der Hemdschulter 28 sowie abwärts zur unteren Seitenwand der dritten Ringnut (Ölringnut) 26 beabstandet angeordnet und erstreckt sich in Umfangsrichtung längs des Umfangs der Schulter 28, wie Fig. 2 zeigt. Das Wärmeregelglied 30 verläuft innerhalb der und durch die Masse des Matrixmetalls, das die Basis der Kolbenbolzennaben 20 bildet, jedoch liegen die zwischen den Kolbenbolzennaben 20 liegenden Innenumfangsbereiche 32 des Wärmeregelglieds 30 zwischen den Bolzennaben 20 zum Innenraum des Kolbens 10 hin frei.

Wie die Fig. 3 in einer Vergrößerung zeigt, besteht das Wärmeregelglied 30 aus einem ringförmigen, faserverstärkten Metallteil, das als ein Stück mit der Hemdschulter 28 ausgestaltet ist. Dieses faserverstärkte Metallteil, das das Wärmeregekjl ied 30 bildet, umfaßt Fäden aus anorganischen, hoch zugfesten Verstärkungsfasern, wie Graphitfasern, die in einer Vielzahl von kreisförmigen Windungen zu einem Fadenwickel 34 zusammengefaßt sind. Beispielsweise enthält der Faden- oder Garnwickel 34 mehrere tausend ununterbrochene einzelne Graphitfasern, die in die Matrix einer Al-Legierung, welche zusammen mit den verstärkenden Graphitfasern das Wärmeregelglied 30 bildet, integriert eingeformt oder eingegossen sind.Einzelne Graphitfasern werden mit der Matrixlegierung getränkt oder imprägniert und mit dieser festhaftend verbunden, um das faserverstärkte Metallteil zu bilden. Wenngleich in den Fig. 1 und 3 das Wärmeregelglied 30 mit rechteckigem, von der gestrichelten Linie 36 begrenzten Querschnitt dargestellt ist, so existiert eine solche bestimmte Grenzlinie zwischen dem faserverstärkten Wärmeregelglied (Metallteil) 30 und dem benachbarten Bereich der Hemdschulter 28 in der Tat nicht, weil die Matrixlegierung

zwischen die verstärkenden Fasern eindringt. Das Wärmeregelglied 30 enthält 40 - 60 Vol.-%, vorzugsweise 45 - 50 Vol.-%, an Graphitfasern.

Es ist darauf hinzuweisen, daß mit Ausnahme der Bereiche der Bolzennaben 20 ein von Fasern nicht verstärkter Teil von erwähnenswerter Größe innerhalb des Innenumfangs 32 des das Wärmeregelglied 30 bildenden faserverstärkten Teils nicht vorhanden ist. Fortlaufende Graphitfasern mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten machen es dem faserverstärkten Teil möglich, als ein Wärmeregelglied zu wirken, das eine Wärmedehnung des Hemdschulterteils 28 unterbindet. Das das Wärmeregelglied 30 bildende faserverstärkte Teil wird gleichzeitig mit dem Gießen des Kolbens ausgestaltet. Da in den meisten Fällen der aus Graphitfasern bestehende Fadenwickel 34 nicht ausreichend selbsthaltend ist, um seine Gestalt während des Gießens zu bewahren, ist es vorzuziehen, einen Fadenwickelträger 40, wie Fig. 4 zeigt, zu verwenden. Dieser Fadenwickelträger 40 kann aus zerkleinerten anorganischen Fasern, z.B. Aluminiumsilikatfasern, die durch ein anorganisches Bindemittel miteinander verklebt werden, um ein starres, poröses Teil zu bilden, das weniger als etwa 7 Vol.-% an zerkleinerten Fasern enthält, gefertigt werden. Der Fadenwickelträger 40 ist mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kehle versehen, in die die Fäden 34 mit der erforderlichen Anzahl an Windungen gewickelt werden. Die auf diese Weise gebildete Baugruppe 42 wird in den Formhohlraum einer Druckgußmaschine eingesetzt, worauf eine geschmolzene Al-Legierung unter Druck eingespritzt wird, so daß nach der Abkühlung ein Kolben 10 mit einem darin einstückig eingeformten, faserverstärkten Wärmeregelglied 30 erhalten wird.

Die Fig. 5-7 zeigen ein Beispiel für einen herkömmlichen Kolben mit einem aus einem faserverstärkten Metallteil bestehenden Wärmeregelglied 54. Es ist festzustellen, daß dieses Wärmeregelglied 54 vom nicht-faserverstärkten Matrixmetall nicht nur in den Bereichen der Bolzennaben 50, sondern auch in den zwischen diesen liegenden Bereichen 52 umgeben bzw. in das Matrixmetall eingebettet ist. Bei diesem herkömmlichen Kolben erfährt das Wärmeregelglied 54, wenn der Kolben einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, keine nennenswerte Ausdehnung, weil die verstärkenden Graphitfasern einen niedrigen, ja sogar einen negativen linearen Ausdehnungskoeffizienten von etwa -1,2 χ 10" /⁰C haben. Da die Al-Legierung jedoch einen hohen linearen Ausdehungskoeffizienten von etwa 20 χ 10"⁶/°C hat, hat der Bereich 56 (s.Fig.7) des nicht-faserverstärkten Matrixmetalls, der innerhalb des Innenumfangs 58 des Wärmeregelglieds 54 liegt, das Bestreben zum Ausdehnen, so daß auf das Wärmeregelglied 54 eine radiale Belastung ausgeübt wird. Wenn in Abhängigkeit vom Stillsetzen und Anlaufen der Maschine der Kolben wiederholt abgekühlt und erhitzt wird, so werden das Aufheben und Aufbringen der radialen Beanspruchung ebenfalls wiederholt, was Ermüdungserscheinungen im Matrixmetall längs des Innenumfangs 58 zum Ergebnis hat. Es ist davon auszugehen, daß dadurch die Ausbildung von Rissen 6o im Schulterteil des Kolbenhemds hervorgerufen wird.

Bei dem Kolben gemäß der Erfindung ist innerhalb des Inennumfangs des Wärmeregelglieds 30 mit Ausnahme der Bereiche der Bolzennaben 20 eine nennenswerte Menge von nicht-faserverstärktem Metall nicht vorhanden. Auf Grund des Fehlens von nicht-faserverstärkten Metallteilen, die ansonsten für eine radiale Beanspruchung der Anlaß sind, wird die Ausbildung von Rissen vermieden. Da die Kolbenbolzennaben

20 massiv sind und eine angemessene Starrheit aufweisen, werden die in diesen Bereichen liegenden verstärkenden Fasern im Ansprechen auf die Wärmedehnung der Bolzennaben gestreckt oder gedehnt. Deshalb besteht keine Wahrscheinlichkeit für eine Entwicklung irgendeiner übermäßgen radialen Beanspruchung längs des Innenumfangs des Wärmeregelglieds in den Bereichen der Bolzennaben 20.

Der in den Fig. 8-11 als zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung gezeigte Kolben 110 hat einen Kolbenboden 112, einen Kolbenkopf 114, eine Ringpartie 116 und eine Hemdpartie (Kolbenschaft) 118. In der Ringpartie 116 sind Ringnuten 122, 124 und 126 ausgearbeitet. Wie bei der ersten Ausführungsform ist auch hier die Hemdschulter 128 mit einem Wärmeregelglied 130 aus fortlaufenden Graphitfasern ausgestattet. Die Graphitfasern werden von einem Fadenwickelträger 140 getragen und sind in die Matrix-Al-Legierung als ein Teil mit dieser eingegossen. In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform liegt der Innenumfang des Wärmeregelglieds 130 radial einwärts zum Inneren den Kolbens hin mit Ausnahme der Bereiche der Kolbenbolzennaben frei.

Das Kolbenhemd 118 weist zwei Kolbenbolzenaugen 160 auf, die das Kolbenhemd und die Bolzennaben, von denen nur die eine Nabe 162 in Fig. 10 angedeutet ist, durchsetzen. Jedes Bolzenauge 160 hat eine Ringkehle 164 zur Aufnahme eines dne Kolbenbolzen festhaltenden Sprengringes. Wie den Fig. 9 und 10 am besten zu entnehmen ist, ist der äußere Bereich eines jeden Bolzenauges 160 abgestuft, so daß eine erweiterte oder großkalibrige Bohrung 166 gebildet wird. Die dieser Bohrung 166 gegenüber kleinkalibrigen Bolzenaugen 160 sind nahe der Hemdschulter 128 derart angeordnet, daß sie sich im wesentlichen

tangential zum obenliegenden Umkreis des Wärmeregelglieds 130 erstrecken. Die großkalibrige Bohrung 166 hat einen Durchmesser, der groß genug ist, daß sie das Wärmeregelglied 130 durchsetzt und durchtrennt, so daß zwei in jeder großkalibrigen Bohrung einander gegenüberliegende Kanten oder Stirnflächen gebildet werden.

Die Vorteile, die auf der "Ausbildung der großkalibrigen Bohrung 166 beruhen, werden unter Bezugnahme auf die Fig. 9 erläutert. Wenn die äußeren Bereiche der Bolzenaugen 160 nicht erweitert sind und diese Bolzenaugen auf ihrer gesamten Erstreckung einen gleichförmigen Durchmesser haben, dann wird das Wärmeregelglied 130 so an- oder ausgeschnitten, daß es eine relativ lange, relativ scharfe oder spitze und keilförmige Kante (Stirnfläche) mit einer Lägne a in der Umfangsrichtung darbietet. Wenn nun auf den Kolben als Folge des ihm in jedem Arbeitstakt der Maschine aufgebrachten Energiestoßes eine Beanspruchung wirkt, so werden einzelne, in das Matri x-metall des Wärmeregelglieds eingeformte Graphitfasern einer axial gerichteten Biegekraft unterworfen, durch die die Graphitfasern an der Kante (Stirnfläche) des Wärmeregelglieds wegen ihrer geringen Biegefestigkeit in Stücke gebrochen werden. Diese gebrochenen Fasern werden vom Matrixmetall losgelöst und weggeführt.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Länge der Stirnfläche des Wärmeregelglieds in der Umfangsrichtung auf die Strecke b verkürzt, weil das Wärmeregelglied durch die großkalibrige Bohrung 166 unter einem größeren Winkel an- oder durchgeschnitten wird. Auch wird der Flächeninhalt der in der großkalibrigen Bohrung vorhandenen und austretenden Stirnfläche des Wärmeregelglieds verkleinert. Die Verminderung in

der Länge der Stirnfläche und in deren Flächeninhalt setzt das auf die einzelnen Graphitfasern in der Stirnfläche einwirkende Biegemoment ganz erheblich herab, womit die Möglichkeit für einen Faserbruch wesentlich vermindert wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform beruht darin, daß nun die großkalibrige Bohrung 166 nicht mehr als eine Lagerfläche für den Kolbenbolzen dient, was bedeutet, daß die großkalibrige Bohrung nicht maschinell bearbeitet zu werden braucht, um eine spezifizierte Oberflächengüte zu erhalten und zu bieten, weshalb diese Bohrung 166 allein durch einen einfachen Bohrvorgang ausgebildet werden kann. Die großkalibrige Bohrung 166 behindert in keiner Weise einen Zutritt zum kleinkalibrigen Bolzenauge 160, das insofern bearbeitet werden kann, um die erforderliche Oberflächengüte zu erhalten.

Die Fig. 11 zeigt eine dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die großkalibrige Bohrung 170 eine abgewandelte Ausgestaltung aufweist, die anderen Teile des Kolbens aber zu denjenigen der ersten sowie zweiten Ausführungsform gleich sind. In diesem Fall ist die großkalibrige Bohrung 170 weiter maschinell bearbeitet worden, um an dieser Innenwandabschnitte 172 zu bilden, die im rechten Winkel zum Wärmeregelglied 174 verlaufen. Das kleinkalibrige Bolzenauge 176 ist zylindrisch und dient als Lagerfläche für den Kolbenbolzen. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Schnittebene am Wärmeregelglied 174 rechtwinklig zu dessen Längserstreckung, so daß die Stirnflächen des Wärmeregelglieds keinerlei Keilform aufweisen und deren Flächeninhalt auf dem minimalen Wert ist. Deshalb wird die auf die einzelnen Graphitfasern einwirkende Kraft ein Minimum, so daß die Möglichkeit für einen Faserbruch völlig beseitigt ist.

Beispiel

Es wurde zuerst ein Fadenwickelträger, wie er in Fig.4 gezeigt ist, hergestellt, Zu diesem Zweck wurden zerklei nerte Aluminiumsilikatfasern, die von Isolite Kogyo K.K. of Japan unter dem Warenzeichen "Kaowool" erhältlich sind, in einer geeignete anorganische Binderadditive enthaltenden wäßrigen Lösung dispergiert. Die Dispersion wurde mittels einer Vakuumfiltration durch ein Schlauchsieb gefiltert, um an diesem eine rohr- oder schlauchförmige Ansammlung von zerkleinerten Fasern zu bilden, die dann getrocknet, gesintert und maschinell zur Ausbildung des mit einer Kehle versehenen Wickelträgers 40 bearbeitet wurde. Die Raummasse des Trägers betrug 0,2 g/cm², der Volumenanteil an Fasern betrug 7%.

Dann wurde ein Fadenwickel 34 mit 6000 Graphitfasern, die von Toray Inc. of Japan unter dem Warenzeichen "Treca M40" erhältlich sind, rund um den Träger 40 mit 18 Windungen mit Hilfe einer Wickelmaschine ausgebildet, um die aus dem Wickelträger und dem Fadenwickel bestehende Baugruppe 42 zu bilden. Die Enden des Fadenwickels wurden mit einem Aluminiumsilikat-Klebemittel verklebt. Der Volumentanteil an Graphitfasern betrug etwa 45%.

Die Baugruppe 42 wurde auf 750⁰C vorgewärmt und dann im Formhohlraum einer Hochdruck-Druckgußmaschine angeordnet. Eine geschmolzene Al-Legierung (JIS AC8A) mit einer Temperatur von 730⁰C wurde in den Formhohlraum mit einem Druck von etwa 981 bar eingegossen, worauf ein Abkühlen zur Erstarrung ermöglicht wurde. Das Gußstück wurde wärmebehandelt und zu einem Kolben 10 nach den Fig. 1 - 3 bearbeitet, der einen Außendurchmesser von 84 mm und eine axiale Länge von 75 mm hatte.

Kolben 10 gemäß der Erfindung und herkömmliche Kolben wurden in Viertakt-Sechszylinder-Ottomotoren mit einem Hubraum von etwa 2800 cm³, einer maximalen Leistung von etwa 132 kW, einer maximalen Drehzahl von 5600 U/min und einem maximalen Drehmoment von 24,2 kgm bei 4400 U/min eingebaut. Die Maschinen wurden für etwa 200 h betrieben, wobei eine Wärmeschockprüfung ausgeführt wurde, indem die Kühlmitteltemperatur zwischen -30⁰C sowie 105⁰C und die öltemperatur zwischen -30⁰C sowie 150⁰C mit einem Zyklus von etwa 30 min verändert wurden. Bei den herkömmlichen Kolben traten nach etwa 50 Betriebsstunden Risse, wie sie in Fig. 7 gezeigt sind, auf, bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Kolben wurden jedoch selbst nach 200 Betriebsstunden keinerlei Risse festgestellt.

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Claims

Patentansprüche

1J Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenhemdpartie sowie mit einem Paar von mift der Kolbenhemdpartie einstückigen, diametral einander gegenüberliegenden Kolbenbolzennaben, in denen Kolbenbolzenaugen ausgebildet sind, und mit einem ringförmigen, innerhalb sowie längs des Außenumfangs eines Schulterteils der Kolbenhemdpartie angeordneten, eine Wärmedehnung der Kolbenhempartie unterdrückenden Wärmeregelglied, das ein ringförmiges·, faserverstärktes Metallteil mit einem Bündel von in eine den Kolben bildende Matrix-Leichtmetallegierung als ein Stück eingeformten, hoch zugfesten Fasern umfaßt, gekennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung der Kolbenhemdpartie (18, 118), daß mit Ausnahme des Bereichs der Kolbenbolzennaben (20, 162) ein wesentlicher Teil des Innenumfangsbereichs des Wärmeregelglieds

i ·

• ·

(30, 130, 174) zur Vermeidung des Vorhandenseins jeglicher nennenswerter Menge an nicht-faserverstärktem Matrixmetall an der Innenseite des Wärmeregelglieds zum Inneren der Kolbenhemdpartie hin frei liegt.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzenaugen (160, 176) der Kolbenbolzennaben (162) nahe dem Schulterteil (128) der Kolbenhemdpartie (118) angeordnet und die Außenbereiche dieser Kolbenbolzenaugen, die das Wlrmeregelglied durchsetzen, als großkalibrige Bohrungen (166, 170) augebildet sind.
3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Innenwandabschnitte (172) der großkalibrigen Bohrungen (170), die das Wärmeregelglied (130) durchsetzen, im rechten Winkel zum Wärmeregelglied verlaufen.