DE3633134C2

DE3633134C2 -

Info

Publication number: DE3633134C2
Application number: DE3633134A
Authority: DE
Inventors: Jordan Dipl.-Ing. 8900 Augsburg De Gentscheff
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1992-07-30
Also published as: DE3633134A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gebauten Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenunterteil und einem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenboden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a built piston for Internal combustion engines with a light metal alloy Piston lower part and one made of an iron material Piston plate according to the preamble of patent claim 1.

Bei derartigen, aus der DE-AS 12 69 414 bekannten Kolben treten bei hohen Belastungen, insbesondere beim Anfahren des Motors, infolge der thermischen und mechanischen Beanspruchungen und der daraus resultierenden Verformung des Kolbenbodens Reibungsverschleißerscheinungen an den tragenden Flächen des Kolbenunterteils auf. Die sich aus Biegung und Wärmedehnung ergebende Relativbewegung der beiden Kolbenteile führt zu Materialverlusten an den tragenden Flächen des Kolbenunterteils und damit zu einer Verkürzung der Standzeit des Kolbens.In such pistons known from DE-AS 12 69 414 occur at high loads, especially when starting the engine, due to the thermal and mechanical stresses and the resulting deformation of the piston crown Frictional wear and tear on the bearing surfaces of the Lower piston part. The result of bending and thermal expansion resulting relative movement of the two piston parts leads to Loss of material on the load-bearing surfaces of the lower piston part and thus reducing the service life of the piston.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzubilden, daß Verschleißerscheinungen vermindert werden und die tragenden Flächen des Kolbenunterteils auch höheren Zünddrücken standhalten.The invention has for its object a generic Develop pistons so that wear and tear is reduced and the bearing surfaces of the lower piston part are also higher Withstand ignition pressures.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die tragenden Flächen des Kolbenunterteils von einer dünnen, glatten und harten Schicht aus einem hochverschleißfesten Material bedeckt sind.This object is achieved in that the supporting surfaces of the Piston lower part from a thin, smooth and hard layer are covered with a highly wear-resistant material.

Durch eine solche Schicht aus hochverschleißfestem Material wird der weichere Grundwerkstoff des Kolbenunterteils wirksam vor einem Materialabtrag durch Reibkorrosion geschützt. Durch ihre geringe Dicke und ihre eigene elastische Verformung ist diese Schicht in der Lage, die aufgrund der in der Praxis unvermeidbaren Linienberührung mit dem Tragbund des Kolbenbodens auftretenden Spitzendrücke aufzunehmen und auf größere Flächenanteile der Tragrippe des Kolbenunterteils zu verteilen. Such a layer of highly wear-resistant material the softer base material of the lower piston part effectively in front of you Material removal protected by fretting corrosion. Because of their low Thickness and its own elastic deformation is in this layer able, due to the inevitable in practice Line contact with the support collar of the piston crown Record peak pressures and on larger areas of the area Distribute the support rib of the lower piston part.

Es ist zwar aus der DE 28 32 970 A1 bekannt, zwischen einem aus Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenboden und einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörper einen zusätzlichen eisernen Zwischenring vorzusehen und die gegeneinanderliegenden Auflageflächen von Abstützbund am Kolbenboden und dem Zwischenring zu härten, zu verchromen, zu nitrieren oder in anderer Weise zu behandeln, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß Gleitbewegungen zwischen dem Abstützbund und dem Zwischenring auftreten sollen. Der Zwischenring kann jedoch nicht das Problem des Reibungsverschleißes an seiner Unterseite bei der Berührung mit der relativ weichen Tragrippe des Kolbenkörpers lösen. Der erfindungsgemäße Kolben ist außerdem durch den Verzicht auf einen separaten Zwischenring einfacher herzustellen und weist eine geringere Masse auf.It is known from DE 28 32 970 A1, between one Iron material existing piston crown and one made of light metal existing piston body an additional iron intermediate ring to provide and the opposing contact surfaces of Support collar on the piston crown and the intermediate ring to harden chromium plating, nitriding or treating in any other way, the arrangement being such that sliding movements should occur between the support collar and the intermediate ring. However, the intermediate ring cannot solve the problem of Frictional wear on its underside when touched loosen the relatively soft support rib of the piston body. The piston according to the invention is also by dispensing with a separate intermediate ring easier to manufacture and has a lower mass.

Die MTZ Motortechnische Zeitschrift 29 (1968)3 offenbart im Bild 9 auf Seite 106 und dem zugehörigen Textabschnitt 3.4 einen Kolben mit einem aus Stahl- oder Gußwerkstoffen gefertigten Kolbenoberteil und einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenunterteil. Zur Lösung der Problematik des Reibverschleißes zwischen den Auflageflächen und beiden Kolbenteile wird hier vorgeschlagen, Zwischenringe aus hochwertigen Gußeisenwerkstoffen oder verchromten Auflageflächen am Kolbenoberteil vorzusehen. Damit sind jedoch die tragenden Flächen eines aus einem weichen Material gefertigten Kolbenunterteils vor Reibverschleiß nicht zu schützen.MTZ Motortechnische Zeitschrift 29 (1968) 3 discloses in Figure 9 on page 106 and the associated text section 3.4 a piston with a Steel or cast materials made piston top and one Light alloy existing piston lower part. To solve the problem the frictional wear between the contact surfaces and both Piston parts are proposed here, intermediate rings made of high quality Cast iron materials or chrome-plated contact surfaces on the upper part of the piston to provide. However, this means that the supporting surfaces are one from one soft material manufactured piston lower part from friction wear not to protect.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.Below is an embodiment of the invention based on the Drawing described.

Ein Kolben 1 setzt sich aus einem aus Leichtmetall gefertigten Kolbenunterteil 2 und einem an seiner Oberseite mittels nicht dargestellter Spannschrauben befestigten Kolbenboden 3 zusammen. Der aus einem Eisenwerkstoff hergestellte Kolbenboden weist an seiner dem Brennraum zugewandten Oberseite 4 eine Mulde 5 auf. An seiner Innenseite 6 ist im Zentralbereich ein kuppelartiger erster Hohlraum 7 und im Außenbereich ein ringförmiger zweiter Hohlraum 8 eingearbeitet, der nach außen vom Feuersteg 9 des Kolbenbodens 3 begrenzt wird.A piston 1 is composed of a piston lower part 2 made of light metal and a piston head 3 fastened on its upper side by means of clamping screws (not shown ) . The piston crown made of an iron material has a trough 5 on its top 4 facing the combustion chamber. On its inside 6 , a dome-like first cavity 7 is incorporated in the central area and an annular second cavity 8 is formed in the outer area, which is delimited from the outside by the top land 9 of the piston crown 3 .

Zwischen erstem Hohlraum 7 und zweitem Hohlraum 8 verläuft an der Innenseite 6 des Kolbenbodens 3 ein ringförmiger Tragbund 10, der mit seiner ringförmigen Stirnfläche 11 auf einer an der Oberseite des Kolbenunterteils 2 angeordneten Ringrippe 12 aufliegt. Die tragende Fläche 13 der Ringrippe 12 ist entweder parallel zur Stirnfläche 11 angeordnet oder in der bevorzugten Ausführungsform schwach konisch mit einem Winkel A gegenüber einer Horizontalen von etwa 10° gestaltet, so daß sich im kalten Zustand bei der Montage des Kolbens zwischen ihr und der Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 ein sich radial nach außen erweiternder Spalt 14 ergibt.Between the first cavity 7 and the second cavity 8 , an annular support collar 10 runs on the inside 6 of the piston head 3 and rests with its annular end face 11 on an annular rib 12 arranged on the upper side of the lower piston part 2 . The supporting surface 13 of the annular rib 12 is either arranged parallel to the end face 11 or, in the preferred embodiment, is slightly conical at an angle A with respect to a horizontal of approximately 10 °, so that when the piston is cold it is between it and the end face 11 of the support collar 10 results in a radially outwardly widening gap 14 .

Die aufgrund der gewählten Schnittlage nicht dargestellten Spannschrauben werden von unten durch im Kolbenunterteil 2 vorhandene Durchgangslöcher in Sacklochgewinde eingeschraubt, die parallel zur Kolbenachse auf einem etwa in der Mitte des Tragbundes 10 liegenden Lochkreis von der Innenseite 6 her in den Kolbenboden 3 eingearbeitet sind. Durch die Vorspannung der Spannschrauben wird der Tragbund 10 am äußeren Rand seiner Stirnfläche 11 nach unten gezogen, wodurch der Spalt 14 verschwindet und die Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 mit der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12 in Berührung gerät. Auch bei hohem Fertigungsaufwand für die aneinanderliegenden Flächen läßt sich eine vollständige Flächenberührung in allen Betriebszuständen praktisch nicht erreichen.The clamping screws, not shown due to the selected cutting position, are screwed from below through through holes in the lower piston part 2 into blind hole threads, which are machined from the inside 6 into the piston crown 3 from the inside 6 parallel to the piston axis on a hole circle lying approximately in the middle of the supporting collar 10 . Due to the pretensioning of the tensioning screws, the support collar 10 is pulled downward at the outer edge of its end face 11 , as a result of which the gap 14 disappears and the end face 11 of the support collar 10 comes into contact with the load-bearing surface 13 of the annular rib 12 . Even with high manufacturing costs for the surfaces lying against one another, complete surface contact cannot be achieved in all operating states.

Bei Erwärmung des Kolbenbodens 3 beim Anfahren der Brennkraftmaschine tritt durch die stärkere Erwärmung der Oberseite 4 gegenüber der Innenseite 6 eine Aufwölbung des Kolbenbodens 3 auf. Durch die unterschiedliche Wärmedehnung von Kolbenboden 3 und Kolbenunterteil 2 und die außerdem periodisch auf die Oberseite 4 des Kolbenbodens 3 einwirkenden Gaskräfte kommt es zu einer Relativbewegung zwischen der Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 und der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12. Eine auf der tragenden Fläche 13 aufgetragene Schicht 15 aus hochverschleißfestem Material verhindert dabei, daß es am Leichtmetall des Kolbenunterteils 2 zu den eingangs beschriebenen Materialverlusten kommt. Die etwa 0,15 mm starke Schicht 15 wirkt in Verbindung mit dem Leichtmetallwerkstoff als elastische Zwischenlage. Dadurch werden die Druckspitzen , die an den auch bei genauester Fertigung nicht zu vermeidenden erhabenen Stellen auftreten, auf einen größeren Anteil der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12 weitergegeben, womit eine Reduzierung der spezifischen Flächenpressung erreicht wird. Diese vorteilhafte Druckverteilung verhindert auch die sich sonst bei der Paarung zweier harter Werkstoffe bei bestimmten Betriebszuständen aufgrund der Verformung des Kolbenbodens 3 einstellende Linienberührung.When the piston crown 3 heats up when the internal combustion engine is started, the greater heating of the top 4 relative to the inside 6 causes the piston crown 3 to bulge. Due to the different thermal expansion of the piston crown 3 and the piston lower part 2 and the gas forces which also periodically act on the top 4 of the piston crown 3 , there is a relative movement between the end face 11 of the supporting collar 10 and the supporting face 13 of the annular rib 12 . A layer 15 of highly wear-resistant material applied to the load-bearing surface 13 prevents the material losses described at the beginning of the light metal of the piston lower part 2 . The approximately 15 mm thick layer 15 acts in conjunction with the light metal material as an elastic intermediate layer. As a result, the pressure peaks, which occur at the raised locations that cannot be avoided even in the most precise manufacture, are passed on to a larger proportion of the supporting surface 13 of the annular rib 12 , thus reducing the specific surface pressure. This advantageous pressure distribution also prevents the line contact which otherwise occurs when two hard materials are paired in certain operating states due to the deformation of the piston crown 3 .

Bei einer mittleren Rauhtiefe von etwa 0,001 mm und einer Härte von 1100 HV weist die Schicht 15 hervorragende Gleiteigenschaften auf und wird durch die hohen Drücke selbst kaum in Mitleidenschaft gezogen.With an average roughness depth of approximately 0.001 mm and a hardness of 1100 HV, the layer 15 has excellent sliding properties and is itself hardly affected by the high pressures.

Als Material für die hochverschleißfeste Schicht wird eine Legierung aus 87% Wolframkarbid und 13% Kobalt verwendet. Alternativ dazu kann auch eine Legierung aus 55% Kupfer, 42% Nickel und 3% Indium verwendet werden, ebenso auch ein Keramikmaterial aus 99% Aluminiumoxyd (Al₂O₃). Diese Aufzählung soll nur beispielhaft und keineswegs vollständig sein.A material is used for the highly wear-resistant layer Alloy made from 87% tungsten carbide and 13% cobalt. Alternatively, an alloy of 55% copper, 42% Nickel and 3% indium are used, as is one Ceramic material made of 99% aluminum oxide (Al₂O₃). This list is intended to be exemplary only and is in no way complete.

Die Schicht 15 wird vorzugsweise nach dem Detonationsspritzverfahren aufgetragen, da dieses eine sehr gute Haftung am Grundwerkstoff und sehr glatte Oberflächen garantiert.The layer 15 is preferably applied by the detonation spray method, since this guarantees very good adhesion to the base material and very smooth surfaces.

Falls sich der Kolbenboden 3 - wie im rechten Teil der Figur angedeutet - außer über den Tragbund 10 auch mit der Unterseite des Kolbenhemdes 16 am Kolbenkörper abstützt, kann die zusätzlich tragende Fläche an der Oberseite 17 der Seitenwand 18 des Kolbenunterteils 2 ebenfalls mit einer hochverschleißfesten Schicht 19 versehen sein, die hinsichtlich ihrer Dicke, Rauhigkeit, Härte und ihres Materials der Schicht 15 gleicht.If the piston crown 3 - as indicated in the right part of the figure - is supported on the piston body with the underside of the piston skirt 16 on the piston body in addition to the support collar 10 , the additional load-bearing surface on the upper side 17 of the side wall 18 of the lower piston part 2 can also have a highly wear-resistant layer 19 may be provided which is the same as layer 15 in terms of its thickness, roughness, hardness and material.

Die Erfindung kann ebenso bei Kolben eingesetzt werden, deren Kolbenunterteils nicht aus Leichtmetall, sondern einem gegenüber dem Werkstoff des Kolbenbodens weicheren Eisenmaterial bestehen.The invention can also be used with pistons whose Piston lower part not made of light metal, but one opposite Material of the piston crown consist of softer iron material.

Claims

1.Built piston for internal combustion engines with a piston body made of light metal and a piston head made of an iron material, which is supported by the end face of an annular support collar arranged on its inside on an annular support rib arranged on the upper side of the lower piston part and by means of several parallel to the piston axis Screws arranged in the area of the annular rib are connected to the lower piston part, characterized in that the supporting surface ( 13 ) of the annular rib ( 12 ) of the lower piston part ( 2 ) is covered by a thin, smooth and hard layer ( 15 ) made of a highly wear-resistant material.

2. Built piston according to claim 1, characterized in that the piston head ( 3 ) is additionally supported with the lower annular end face of the piston skirt ( 16 ) on the upper annular end face of the side wall ( 18 ) of the piston body ( 2 ) and that the latter also from a thin, smooth and hard layer ( 19 ) of highly wear-resistant material is covered.

3. Built piston according to claim 1 or 2, characterized in that the thickness of the layer ( 15 , 19 ) is approximately 0.15 mm.

4. Built piston according to one of the preceding claims, characterized in that the average roughness depth of the layer ( 15 , 19 ) is approximately 0.001 mm.

5. Built piston according to one of the preceding claims, characterized in that the hardness of the layer ( 15 , 19 ) is approximately 1100 HV.

6. Built-in piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that an alloy of 87% tungsten carbide and 13% cobalt is used as the material for the layer ( 15 , 19 ).

7. Built piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that an alloy of 55% copper, 42% nickel and 3% indium is used as the material for the layer ( 15 , 19 ).

8. Built-in piston according to one of claims 1 to 5, characterized in that a ceramic material with 99% aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) is used for the layer ( 15 , 19 ).

9. Built piston according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 15 , 19 ) is applied by means of a detonation spraying process.