DE3822031A1

DE3822031A1 - Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3822031A1
Application number: DE19883822031
Authority: DE
Inventors: Norman Dipl Ing Seitz
Original assignee: Kolbenschmidt AG
Current assignee: Kolbenschmidt AG
Priority date: 1988-06-30
Filing date: 1988-06-30
Publication date: 1990-01-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, in dessen Oberteil ein dem Kolbendurchmesser entsprechender, aus anorganischen in einer Matrix aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens eingebetteten Fasern aufgebauter scheibenförmiger Verbundkörper an- bzw. eingegossen und in den die erste Ringnute eingestochen ist.

Für hochbelastete Brennkraftmaschinen, die einen besonders starken Verschleißangriff der ersten Ringnute mit Bruchgefahr des Kolbenrings erwarten lassen, sind wenigstens im Bereich der ersten Ringnute mit dem Kolben vergossene, hohlzylinderförmige, aus austenitischem Gußeisen bestehende Ringträger vorgesehen, in die die erste Ringnute eingestochen ist. Der Kolbenring liegt auf diese Weise in verschleißfestem Material eingebettet und ist gleichzeitig weniger hohen Temperaturen ausgesetzt (Technisches Handbuch, Karl Schmidt GmbH, Neckarsulm 1967, S. 106). Bekannt sind auch sogenannte aufgelöste aus Stahl oder Grauguß bestehende Ringträger, die bedingt durch ihre Form in sich eine hervorragende Elastizität sowie eine günstige Vergießmöglichkeit vereinigen und ein vergleichsweise geringes Gewicht besitzen. Diese Ringträger sind in radialer Richtung mäanderförmig aufgelöst, wobei die durch die Mäanderform gebildeten Ringträgersegmente in der oberen und unteren Deckfläche des Ringträgers in Achsrichtung deckungsgleich sind, so daß die Ringnutenflanken, an denen der Kolbenring im Motorbetrieb abwechselnd anliegt, sowohl durch Stahl oder Grauguß als auch durch den gut wärmeleitenden Leichtmetall-Kolbenwerkstoff gebildet sind (DE-PS 10 59 712). Abgesehen davon, daß der Ringträger das Gewicht des Leichtmetallkolbens nicht unbeachtlich erhöht, ist das Eingießen in den Kolbenkörper nur mit Hilfe besonderer Verfahrensmaßnahmen möglich.

Aus Gründen des Gewichts, der Verschleißfestigkeit, der Wärmeleitung, der Temperaturwechselbeständigkeit sowie aus wirtschaftlichen Gründen ist in der EP-PS 00 80 562 ein Leichtmetallkolben vorgesehen, in den ein aus 2 bis 10% anorganischen Fasern und einer Matrix aus dem Leichtmetallkolbenwerkstoff bestehender hohlzylinderförmiger Verbundkörper, der den Feuersteg und den Bereich der ersten darin eingestochenen Ringnut umfaßt, eingegossen ist.

Da bekannt ist, daß mit steigendem Fasergehalt des eingegossenen Verbundkörpers zwar die Verschleißfestigkeit der Ringnutenflanken anwächst, gleichzeitig jedoch der Verschleiß des in der Ringnute eingesetzten Kolbenrings überproportional zunimmt, ist die Fachwelt bestrebt, den Fasergehalt des Verbundkörpers auf solche Werte einzustellen, daß einerseits ein möglichst geringer Verschleiß des Kolbenrings eintritt, andererseits jedoch eine ausreichende Verschleißfestigkeit der Ringnutenflanken gegeben ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei dem eingangs beschriebenen Leichtmetallkolben durch eine Erhöhung des Fasergehalts des an- bzw. eingegossenen Verbundkörpers auf mehr als 10 bis zu 30 Vo1.-% die Festigkeit wenigstens einer der Ringnutenflanken der ersten Ringnute deutlich zu verbessern, ohne dadurch jedoch den in der ersten Ringnute eingesetzten Kolbenring einem erhöhten Verschleiß auszusetzen. Darüber hinaus soll das Gewicht des Verbundkörpers gesenkt werden.

Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß sich der Verbundkörper von der Kolbenoberkante bis zum ersten Ringsteg erstreckt und die an den Leichtmetallkolbenkörper angegossene Grundfläche des Verbundkörpers vom Mantel her mit Ausnehmungen von einer solchen radialen und axialen Tiefe versehen ist, daß wenigstens die kolbenbodenseitige Ringnutenflanke der ersten Ringnute umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

Eine weitere Lösung der Aufgabe ist darin zu sehen, daß sich der Verbundkörper vom ersten Ringsteg bis zum Feuersteg erstreckt und die kolbenbodenseitige Grundfläche des Verbundkörpers vom Mantel her mit Ausnehmungen von einer solchen radialen und axialen Tiefe versehen ist, daß wenigstens die kolbenschaftseitige Ringnutenflanke der ersten Ringnute umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

Der Werkstoff des Verbundkörpers kann sich über die ganze oder nur über einen Teil der radialen Tiefe der Ringnutenflanken erstrecken.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die axiale Tiefe der Ausnehmungen so groß, daß beide Ringnutenflanken der ersten Ringnute umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet sind.

Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung besitzen die Ausnehmungen eine solche axiale Tiefe, daß die eine Ringnutenflanke der ersten Ringnute umlaufend aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und die andere Ringnutenflanke umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung des Verbundkörpers wird die Größe der Kontaktfläche des Verbundkörpers mit dem Kolbenring deutlich verkleinert, wodurch einerseits die Festigkeit der Ringnutenflanken ohne Steigerung des Verschleißes des in die Ringnute eingesetzten Kolbenrings erhöht und andererseits das Gewicht des Verbundkörpers und damit das Gewicht des Leichtmetallkolbens gesenkt werden. Durch die Steifigkeitsabstufungen im Bereich wenigstens einer der Ringnutenflanken der ersten Ringnute kann, bedingt durch die Unterschiede der Elastizitätsmoduli zwischen dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens, letzterer durch die Einwirkung der hydrodynamischen Kräfte so verformt werden, daß sich in den Ringnutenflanken Öltaschen bzw. Sammeltaschen für freigesetzte Verschleißpartikel bilden. Darüber hinaus ergibt sich gegenüber einem Leichtmetallkolben, bei dem beide Ringnutenflanken durchgehend aus Werkstoff des Verbundkörpers bestehen, eine vergleichsweise deutlich verbesserte Wärmeleitung.

Eine Ausführungsform des Verbundkörpers ist auf der einen Grundfläche mit sich vom Mantel her zumindest über einen Teil der Tiefe der ersten Ringnute erstreckenden Querwellen mit radial verlaufenden Achsen versehen.

Bei einer anderen Ausführungsform besitzt der Verbundkörper auf der einen Grundfläche vom Mantel her sich zumindest über einen Teil der Tiefe der ersten Ringnute radial erstreckende, in regelmäßigen Abständen angeordnete kreisringstückförmige Nuten.

Es besteht auch die Möglichkeit, die eine Grundfläche des Verbundkörpers im Bereich der ersten Ringnute mit vorzugsweise zylinderförmigen, sich in Axialrichtung erstreckenden, in regelmäßigen Abständen angeordneten Zapfen zu versehen.

Auch können bei dem Verbundkörper im Bereich der ersten Ringnute vom Mantel her mit den Achsen in Axialrichtung verlaufende Querwellen, deren Wellentäler sich zumindest über einen Teil der Tiefe der Ringnute erstrecken, angebracht sein.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils eine Seitenansicht von drei Leichtmetallkolben, in Bolzenrichtung gesehen. In Fig. 4 bis 6 ist jeweils eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Ringnutenflanke wiedergegeben.

An den in Fig. 1 dargestellten Leichtmetallkolbenkörper (1) ist ein scheibenförmiger, den gleichen Durchmesser wie der Kolben aufweisender, aus 20% Al₂O₃-Fasern mit einer Matrix aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens des Typs AlSil2CuNiMg aufgebauter Verbundkörper (2), mit seiner kolbenschaftseitigen Grundfläche angegossen und umfaßt die Zone von der Oberkante des Leichtmetallkolbens (1) bis in den kolbenbodenseitigen Randbereich des ersten Ringstegs (3). Die kolbenschaftseitige Grundfläche des Verbundkörpers (2) ist auf die Tiefe der Ringnute (8) wellenförmig gestaltet, wobei die Achsen der Wellentäler (4) bzw. Wellenberge (5) radial verlaufen und die axiale Tiefe der Wellentäler (4) bzw. axiale Höhe der Wellenberge (5) so groß ist, daß beide Ringnutenflanken (6,7) der ersten Ringnute (8) abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers (2) und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet sind.

Der in Fig. 2 wiedergegebene Leichtmetallkolben (9) unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 1 dadurch, daß die axiale Tiefe der Wellentäler (10) bzw. die axiale Höhe der Wellenberge (11) des Verbundkörpers (12) so gestaltet sind, daß die kolbenbodenseitige Ringnutenflanke (13) der ersten Ringnute (14) ganz aus dem Werkstoff des Verbundkörpers (12) besteht und die kolbenschaftseitige Ringnutenflanke (15) abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers (12) und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

Fig. 3 zeigt einen Leichtmetallkolben (16), bei dem in der Zone zwischen der halben Höhe des ersten Ringsteges (17) und dem kolbenschaftseitigen Randbereich des Feuerstegs (18) ein Verbundkörper (19), bestehend aus 25% Al₂O₃-Fasern und Werkstoff des Leichtmetallkolbens des Typs AlSil2CuNiMg, eingegossen ist. Die kolbenbodenseitige Grundfläche des Verbundkörpers (19) ist auf die Tiefe der Ringnute (23) wellenförmig ausgebildet, wobei die Achsen der Wellentäler (20) bzw. Wellenberge (21) radial verlaufen und die axiale Tiefe der Wellentäler (20) bzw. die axiale Höhe der Wellenberge (21) so gewählt sind, daß die kolbenbodenseitige Ringnutenflanke (22) der ersten Ringnute (23) abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens besteht, während die kolbenschaftseitige Ringnutenflanke (24) ganz aus dem Werkstoff des Verbundkörpers gebildet ist.

Die in Fig. 4 wiedergegebene Draufsicht auf den Ausschnitt einer Ringnutenflanke zeigt, daß der in den Leichtmetallkolben (25) eingegossene Verbundkörpel (26) im Bereich der Ringnute mit vom Mantel her angebrachten Querwellen (27) mit axial verlaufenden Wellenachsen versehen ist, wobei die Tiefe der Wellentäler der Tiefe der Ringnute entspricht.

Bei der Darstellung nach Fig. 5 sind in der Grundfläche des in den Leichtmetallkolben (28) eingegossenen Verbundkörpers (29) vom Mantel her sich radial über die Tiefe der Ringnute erstreckende kreisringstückförmige Nuten (30) vorgesehen.

Gemäß Fig. 6 sind auf der Grundfläche des in den Leichtmetallkolben (31) eingegossenen Verbundkörpers (32) im Bereich der Ringnute in Axialrichtung verlaufende zylinderförmige Zapfen (33) angebracht.

Claims

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, in dessen Oberteil ein dem Kolbendurchmesser entsprechender, aus anorganischen in einer Matrix aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens eingebetteten Fasern aufgebauter scheibenförmiger Verbundkörper an- bzw. eingegossen und in den die erste Ringnute eingestochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbundkörper (2, 12) von der Kolbenoberkante bis zum ersten Ringsteg (3) erstreckt und die an den Leichtmetallkolbenkörper (1, 9) angegossene Grundfläche des Verbundkörpers vom Mantel her mit Ausnehmungen (4, 10) von einer solchen radialen und axialen Tiefe versehen ist, daß wenigstens die kolbenbodenseitige Ringnutenflanke (6, 13) der ersten Ringnute (8, 14) umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

2. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, in dessen Oberteil ein dem Kolbendurchmesser entsprechender, aus anorganischen in einer Matrix aus dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens eingebetteten Fasern aufgebauter scheibenförmiger Verbundkörper an- bzw. eingegossen und in den die erste Ringnute eingestochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verbundkörper (19) vom ersten Ringsteg (17) bis zum Feuersteg (18) erstreckt und die kolbenbodenseitige Grundfläche des Verbundkörpers vom Mantel her mit Ausnehmungen (20) von einer solchen radialen und axialen Tiefe versehen ist, daß wenigstens die kolbenschaftseitige Ringnutenflanke (24) der ersten Ringnute (23) abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Werkstoff des Verbundkörpers ganz oder teilweise über die radiale Tiefe der Ringnutenflanken (6, 13, 24) der ersten Ringnute (8, 14, 23) erstreckt.

4. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ringnutenflanken (6, 7) der ersten Ringnute (8) umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers (2) und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet sind.

5. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (10) der einen Grundfläche des Verbundkörpers (12) eine solche axiale Tiefe besitzen, daß die eine Ringnutenflanke (13) der ersten Ringnute (14) umlaufend aus dem Werkstoff des Verbundkörpers besteht und die andere Ringnutenflanke (15) umlaufend abwechselnd aus dem Werkstoff des Verbundkörpers und dem Werkstoff des Leichtmetallkolbens gebildet ist.

6. Verbundkörper für Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Grundfläche mit sich vom Mantel her zumindest über einen Teil der Tiefe der ersten Ringnute (8, 14, 23) erstreckenden Querwellen (4, 5, 10, 11, 20, 21) mit radial verlaufenden Achsen versehen ist.

7. Verbundkörper für Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Grundfläche mit sich vom Mantel her zumindest über einen Teil der Tiefe der ersten Ringnute (8, 14, 23) radial erstreckenden, in regelmäßigen Abständen angeordneten kreisringstückförmigen Nuten (30) versehen ist.

8. Verbundkörper für Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Grundfläche im Bereich der ersten Ringnute (8, 14, 23) angeordnete, vorzugsweise zylinderförmige, sich in Axialrichtung erstreckende, in regelmäßigen Abständen angeordnete Zapfen (33) aufweist.

9. Verbundkörper für Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der ersten Ringnute (8, 14, 23) vom Mantel her mit den Achsen in Axialrichtung verlaufende Querwellen (27), deren Wellentäler sich zumindest über einen Teil der Tiefe der Ringnute erstrecken, angebracht sind.