DE3722437C2

DE3722437C2 -

Info

Publication number: DE3722437C2
Application number: DE3722437A
Authority: DE
Inventors: Shigeaki Akao; Mitsuyoshi Kawamura; Takio Nagoya Aichi Jp Kojima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1986-07-08
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1993-05-13
Also published as: DE3722437A1; US4796517A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbaugruppe für eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine solche, aus der DE 34 46 393 A1 bekannte Kolbenbaugruppe umfaßt einen aus einem Leichtmetall hergestellten Kolben mit gegenüberliegenden Bolzenlagerungen. Der Kolbenbolzen besteht aus einem Keramikmaterial und ist in den Bolzenlageraugen angeordneten Einsätzen gelagert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einsätze liegt zwischen dem des Kolbenwerkstoffes und des keramischen Kolbenbolzenwerkstoffes. Die Einsätze sind als Buchsen ausgebildet, die in die Kolbenbolzenaugen eingepreßt oder eingeschrumpft sind. Durch die bekannte Anordnung wird erreicht, daß der Abstand zwischen Kolbenbolzenbuchse und Kolbenbolzen auf ein Minimum bei einer bestimmten Betriebstemperatur herabgesetzt wird, was zu geringerer Lärmemission sowie zur Gewichtsreduzierung der Baugruppe beiträgt. Die Einsätze sind eingeschrumpft und tragen die Axialversicherungsringe für die Axialführung des Kolbenbolzens, so daß ein Lockern der Einsätze nicht auszuschließen ist. Durch die Funktionsweise einer Brennkraftmaschine bedingt, wird der Kolbenboden am meisten thermisch belastet, wobei die Wärmeleitung über den Kolbenmantel am Ende des Kolbens geleitet wird. Dadurch besteht die Gefahr der Verformung des Kolbens, wobei der Kolben am Kolbenboden den größten Durchmesser aufweist und sich in Richtung der Kolbenbolzenlagerstelle verjüngt. Durch Verkleinerung der Berührungsfläche zwischen Kolbenbolzen und Kolbenbolzenlagerung in Verbindung mit dem aus dem keramischen Material gefertigten Kolbenbolzen entsteht dadurch ein verstärkter Verschleiß.

Aus der DE-PS 8 30 587 ist eine Kolbenbaugruppe bekannt, bei der der Kolbenboden über Stege mit einer den Kolbenbolzen aufnehmenden Lagerstelle verbunden ist. Die Stege stehen jedoch nicht in Verbindung mit der Mantelwandung des Kolbens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Kolbenbaugruppe so zu verbessern, daß bei geringerem Verschleiß zwischen Kolbenbolzen und dessen Lagerung eine längere Standzeit des Kolbens erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß sind die Einsätze an den Lagerstellen für den Kolbenbolzen mit in einer Mantelwandung des Kolbens eingebetteten, sich in Richtung des Kolbenbodens erstreckenden Schenkeln ausgebildet, die mit dem Kolbenboden oder einem im Kolbenbodenbereich befindlichen Ring ein einstückiges Bauelement bilden. Da die Lagerstellen durch die Wandung eingebettet bis zum Kolbenboden geführt sind und dort miteinander verbunden sind, wird die Gefahr der Vergrößerung des Durchmessers des Kolbens am Kolbenboden an dieser thermisch belasteten Stelle durch den geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Lagermaterials eingeschränkt. Zusätzlich besteht der Vorteil, daß die Lagerstelle aufgrund des geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten in seinem Toleranzbereich eingeschränkt werden kann, wodurch Schwingungen und somit Verschleiß vermindert werden können. Weiterhin ergibt sich auf vorteilhafte Weise durch die erfindungsgemäße Anordnung auch eine Sicherung der auf Drehung beanspruchten Einsätze gegen radiale Mitnahme bzw. Lockerung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigen:

Fig. 1A eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Kolbenbolzen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 1B-1B in Fig. 1A,

Fig. 2A eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Koblenbolzen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2B eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 2B-2B in Fig. 2A.

Zu einer in den Fig. 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung gehören ein Kolbenbolzen 20, ein Kolben 41 und zwischen den Kolben 41 und den Kolbenbolzen 20 eingesetzte Einsätze 46 für die Aufnahme der gegenüberliegenden Endstücke des Kolbenbolzens 20.

Der Kolben 41 ist von der in einem Vierzylindermotor mit einem Hubraum von 2 l zu verwendenden Art und aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20 × 10⁶ 1/°C hat. Der Kolben 41 hat Bolzenaugen mit jeweils einer Lagerbohrung von 20 mm Länge. Der Kolbenbolzen 20 ist in den Lagerbohrungen der Bolzenaugen des Kolbens 41 und in einem Pleuelauge einer Pleuelstange gelagert, um diese mit dem Kolben 41 zu verbinden. Der Kolbenbolzen 20 hat einen Durchmesser von 18 mm und ist aus Siliziumnitrid gefertigt, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 3,2 × 10^-6 1/°C hat.

Auf besonders vorteilhafte Weise sind die Einsätze 46 einstückig mit dem Kolbenboden 41b ausgebildet und aus einer mit Tonerdefasern in einem Volumenteil V_f=9% verstärkten Aluminiumlegierung gefertigt, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α=14 × 10^-6 1/°C hat. Die Einsätze 46 sind nach dem sogenannten Schmelzschmiedeverfahren gefertigt, bei welchem die Metallschmelze in eine Form gegossen und unter hohem Druck darin zum Erstarren gebracht wird.

Der Kolben 41 besteht also hier aus zwei aus verschiedenen Werkstoffen gebildeten Teilen, nämlich einem ersten Teil, welches den Kolbenboden 41b und zwei parallel zueinander abwärts daran hervorstehende Schenkel 41d umfaßt, und einem becherförmigen zweiten Teil, an dessen Stirnwand 41e der Kolbenboden 41b anliegt und in dessen Mantelwandung 41f die Schenkel 41d eingebettet sind. Die Einsätze 46 sind dabei einstückig mit den unteren Endbereichen der Schenkel 41d ausgebildet. Eine axiale Sicherung der Einsätze 46 samt Mantelwandung erfolgt über Seegerringe 25, die jeweils in einer in der Lagerbohrung angeordneten Ringnut sitzen.

In er in Fig. 2A und 2B dargestellten zweiten Ausführungsform sind die Einsätze 56 einstückig mit einem Ring 51c des Kolbens 51 aus einer als "Niresist" bekannten Legierung gefertigt, welche eine Rockwellhärte H_RC =35 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α=17 × 10^-6 1/°C hat. Dabei sind die Einsätze 56 wiederum nach dem Schmelzschmiedeverfahren gefertigt.

Der Kolben 51 besteht hier wiederum aus zwei Teilen, nämlich einem ersten Teil mit einem das vorstehend erwähnte Umfangswandstück des Kolbenbodens bildenden Ring 51c und zwei parallel zueinander abwärts daran hervorstehenden Schenkeln 51d, und einem im wesentlichen becherförmigen zweiten Teil, dessen Stirnwand als Kolbenboden 51b von dem Ring 51c umgeben ist und in dessen Mantelwandung 51f die Schenkel 51d eingebettet sind. Die Einsätze 56 sind einstückig mit den unteren Endstücken der Schenkel 51d ausgebildet.

Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, sind in den verschiedenen Ausführungsformen zwischen den Enden des Kolbenbolzens und den Bolzenaugen des Kolbens Einsätze eingesetzt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem des Werkstoffs des Kolbens und dem des Werkstoffs für den Kolbenbolzen liegt. Dabei ist festzuhalten, daß die Einsätze nicht aus einem einfachen Metall gefertigt zu sein brauchen, sie können vielmehr auch aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis eines porösen Metallgefüges oder einer mit Tonerdefasern, Tonerde-Siliziumfasern, Borfasern, SiC-beschichteten Borfasern und/oder Tonerde-Whiskers verstärkten Metallegierung gefertigt werden. Ferner können die Einsätze auch aus dem Metall gefertigt sein, welches eine Rockwellhärte von wenigstens H_RC=30 aufweist, z. B. aus einer als "Niresist" bezeichneten Legierung oder aus einem einen hohen Gehalt an Kohlenstoff und Chrom aufweisenden Stahl, wie er beispielsweise für Lager verwendet wird.

Claims

1. Kolbenbaugruppe für eine Brennkraftmaschine, mit einem aus Leichtmetall gefertigten Kolben, mit einander gegenüberliegenden Bolzenlageraugen, einem aus Keramikmaterial bestehenden Kolbenbolzen und in den Bolzenlageraugen angeordneten metallenen Einsätzen zur Lagerung des Kolbenbolzens, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einsätze zwischen dem des Kolbenwerkstoffes und des keramischen Kolbenbolzenwerkstoffes liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsätze (46; 56) an den Lagerstellen für den Kolbenbolzen (20) mit in einer Mantelwandung (41; 51f) des Kolbens (41; 51) eingebetteten, sich in Richtung des Kolbenbodens (41b; 51b) erstreckenden Schenkeln (41d; 51d) ausgebildet sind, die mit dem Kolbenboden (41b) oder einem im Kolbenbodenbereich befindlichen Ring (51c) ein einstückiges Bauteil bilden.

2. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelwandung (41f) des Kolbens (41) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20 × 10^-6 1/°C gefertigt ist, daß der Kolbenbolzen (20) aus Siliziumnitrid mit einem Wärmeaussdehnungskoeffizienten α=3,2 × 10^-6 1/°C gefertigt ist und daß der Kolbenboden (41b) mit Schenkeln (41d) des Kolbens (41) und die Einsätze (46) aus einer mit Tonerdefasern in einem Volumenanteil V_f=9% verstärkten Aluminiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α= 14 × 10^-6 1/°C hergestellt sind.

3. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (51b) und die Mantelwandung (51f) des Kolbens (51) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20 × 10^-6 1/°C geformt ist, daß der Kolbenbolzen (20) aus Siliziumnitrid mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=3,2 × 10^-6 1/°C gefertigt ist und daß der Ring (51c) und die Schenkel (51d) des Kolbens (51) und die Einsätze (56) aus einer "Niresist"-Legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=17 × 10^-6 1/°C hergestellt sind.