DE3823704A1 - Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents
Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen preßgegossenen
Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich
des Kolbenbodens und des Ringfelds ein- bzw. angegossenem,
aus anorganischen in der Matrix des Werkstoffs des
Leichtmetallkolbens mit einem Gehalt von < 10 bis
30 Vol.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-%, eingebetteten
Fasern aufgebautem topfartigem einteiligem
Verbundwerkstoffkörper, der den gleichen Außendurchmesser
wie der Kolben aufweist und in den vorzugsweise die erste
Ringnut eingestochen ist.
Die Betriebsbeanspruchungen von Leichtmetallkolben in
Brennkraftmaschinen setzen sich aus einer Kombination
mechanisch und thermisch bedingter Spannungen zusammen.
Die mechanischen Spannungen sind dynamisch, sie werden in
der Hauptsache durch Gaskräfte verursacht. Die thermischen
Beanspruchungen sind nur an der Oberfläche dynamisch;
infolge der sich einstellenden Temperaturverteilung sind
sie sonst als quasistatisch zu betrachten. Die in den
letzten Jahrzehnten erfolgte Leistungssteigerung bei
Brennkraftmaschinen hat zu einer Steigerung des effektiven
Mitteldrucks geführt. Gleichzeitig werden eine weitere
Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der
Brennkraftmaschinen als Ziel gesetzt. Parallel dazu wird
die Forderung nach niedrigem Ölverbrauch sowie nach einer
Verbesserung der Abgasqualität gestellt. Das bedeutet für
Leichtmetallkolben sowohl höhere thermische als auch
mechanische Belastungen. Durch den hohen
Temperaturgradienten, beispielsweise im Bereich des
Kolbenbodens, werden große Dehnungen verursacht, die
plastische Verformungen des Oberflächenbereichs zur Folge
haben, wodurch ein Teil der hohen Druckspannungen abgebaut
wird. Wird die Brennkraftmaschine abgestellt, kühlt der
Leichtmetallkolben ab, wodurch Zugspannungen entstehen,
weil die Leichtmetallegierung im Betrieb unter den hohen
Druckspannungen plastisch nachgegeben hat. Dieser Vorgang
wiederholt sich im Prinzip bei jedem Lastwechsel aus der
Vollast, wodurch die Leichtmetallegierung ermüdet und die
Bildung mikroskopischer Fehlstellen gefördert wird, aus
denen dann bei Überschreitung einer zulässigen Zugspannung
Makroanrisse wachsen. Diese Risse können sich weiter
ausbreiten und zum Ausfall des Leichtmetallkolbens führen.
Ursache hierfür ist der Unterschied in der thermischen
Ausdehnung zwischen der duktilen Aluminium-Matrix und den
spröden heterogenen Phasen, wie Silizium und
intermetallische Phasen der Leichtmetallegierung. Die
mikroskopischen Fehlstellen vergrößern sich zu Poren, die
sich zu Makroanrissen vereinigen. Mit der Porenbildung ist
eine Volumenzunahme und plastische Verformung der
thermisch beanspruchten Bereiche verbunden.
Da aber die Fachwelt den aus Gewichtsgründen attraktiven
Leichtmetallkolben beibehalten will, ist es nötig, ihn
durch Sondermaßnahmen an spezielle örtliche
Beanspruchungen anzupassen oder zu verstärken, wo dieser
durch die Entwicklung der Brennkraftmaschine oder die
Betriebsanforderung an der Grenze seiner Belastbarkeit
angelangt ist.
So kann dem durch zeitweise thermisch/mechanische
Überlastung entstehenden Verschleiß der Kolbenringe und
ihrer Ringnuten, besonders des ersten Kolbenrings und
seiner Ringnut, dadurch entgegengewirkt werden, daß ein
aus Sondergußeisen bestehender zylinderringförmiger
Ringträger in den Leichtmetallkolben eingegossen ist, der
bei Betriebstemperaturen bedeutend härter und
verschleißfester als der Werkstoff des Leichtmetallkolbens
ist und in den die Ringnuten eingestochen sind. Um die
Bindung zwischen Ringträger und Leichtmetallkolben noch zu
verbessern, wird heute in den meisten Fällen, der
Ringträger nach dem sogenannten Alfin-Verfahren in den
Leichtmetallkolben eingegossen. Man erreicht durch den
molekularen Verbund einen guten Kontakt zwischen Kolben
und Ringträger, der nicht nur den Wärmefluß verbessert,
sondern auch die Verbundfestigkeit erhöht (Bensinger,
W.-D. und A. Mayer: Kolben, Pleuel und Kurbelwelle bei
schnellaufenden Verbrennungsmotoren, Springer-Verlag
Berlin-Göttingen-Heidelberg 1961, S. 11).
Bei geringerem Gewicht gegenüber einem aus Sondergußeisen
bestehenden Ringträger kann der Bereich der ersten Ringnut
auch durch Aufschmelzlegieren mit einer
hoch-nickelhaltigen Zusatzlegierung in seinem
Verschleißwiderstand erheblich gesteigert werden. Das
Verfahren führt zu einer deutlichen Härtesteigerung der
Ringnutflanken, die auch nach langen Laufzeiten unter
hohen Temperaturen erhalten bleibt (US-A-4 5 62 327).
Als wesentlicher Schritt, die Belastbarkeit von
Leichtmetallkolben zu erhöhen, kann das Preßgießen gelten.
Bei diesem Gießverfahren wird die Schmelze mit einem
beliebig einstellbaren Druck in die Form gefüllt und
anschließend unter hohem Druck von über 1000 bar zur
Erstarrung gebracht. Zusätzlich zum herstellungsbedingten
feineren Gefüge, das im Bereich des Kolbenbodens zu einer
höheren Thermoschockbeständigkeit führt, bringt dieses
Verfahren eine geringere Streuung der Festigkeitswerte im
Vergleich zum Kokillenguß. Durch das zusätzliche Ein- oder
Angießen von aus anorganischen in der Matrix aus dem
Werkstoff des Leichtmetallkolbens eingebetteten Fasern
aufgebauter Verbundwerkstoffkörper, kann die Belastbarkeit
in dem für Leichtmetallkolben kritischen Temperaturbereich
von über 300°C verdoppelt werden. Durch den hohen
Gießdruck lassen sich vorgeformte Körper aus Fasern,
sogenannte preforms, leicht mit der Leichtmetallschmelze
penetrieren. Der Enddruck von über 1000 bar bringt
Schmelze und Fasern auf atomaren Abstand, so daß es zu der
für eine gute Bindung von Fasern und Matrix notwendigen,
gesteuerten Reaktion kommen kann. Besonders im Bereich des
Kolbenbodens und der Ringpartie werden dazu beim
Preßgießen keramische Kurzfasern von wenigen µm Dicke
in die Matrix des Leichtmetallkolbenwerkstoffs
eingebettet. Entsprechend der Mischungsregel ergibt sich
durch die Faserverstärkung sowohl eine Erhöhung der
Festigkeit als auch ein Anstieg im E-Modul. Durch das Ein-
bzw. Angießen des Verbundwerkstoffkörpers ist bei
mittleren Belastungen ein Ersatz des aus Sondergußeisen
bestehenden Ringträgers möglich.
Aus Gründen der Verschleißfestigkeit, der Wärmeleitung,
der Thermoschockbeständigkeit sowie aus wirtschaftlichen
Gründen ist in der EP-A-00 80 562 ein Leichtmetallkolben
vorgesehen, in den ein aus 2 bis 10% anorganischen Fasern
und einer Matrix aus dem Leichtmetallkolbenwerkstoff
bestehender hohlzylinderförmiger Verbundkörper mit
orientierungslos verlaufenden Fasern, der den Feuersteg
und den Bereich der ersten Ringnut umfaßt, eingegossen ist.
Da außerdem bei Brennkraftmaschinen eine Erhöhung der
Thermoschockbeständigkeit des Kolbenbodens anzustreben
ist, ist bereits ein Leichtmetallkolben vorgesehen, bei
dem der Kolbenboden aus einem Verbundwerkstoffkörper mit
20 Vol.-% Fasern, die parallel zur Ebene des Kolbenbodens
ausgerichtet sind - innerhalb dieser Ebene ist die
Orientierung statistisch regellos - besteht. Auf diese
Weise wird neben einer guten Thermoschockbeständigkeit
auch eine thermische Isolation des Brennraums durch die
reduzierte Wärmeleitung des Verbundwerkstoffkörpers
erreicht (Mielke, S., W. Sander, F. Weiss: Werkstoff für
leichte Dieselkolben; KS-Jubiläumsschrift 9/1985).
Die EP-A-01 43 330 beschreibt einen durch Preßgießen
hergestellten Leichtmetallkolben mit im Kolbenboden
befindlicher Brennraummulde, in den ein das Ringfeld, den
Kolbenboden außerhalb der Brennraummulde und den Rand der
Brennraummulde umfassender topfartiger
Verbundwerkstoffkörper eingegossen ist, wobei der Gehalt
der orientierungslos angeordneten keramischen Fasern 1 bis
25% betragen soll. Da jedoch bekannt ist, daß mit
steigendem Fasergehalt des Verbundwerkstoffkorpers zwar
die Verschleißfestigkeit der Ringnutenflanken anwächst,
gleichzeitig jedoch der Verschleiß des in der Ringnut
eingesetzten Kolbenrings überproportional zunimmt, ist die
Fachwelt bestrebt, den Fasergehalt des Verbundkörpers auf
solche Werte - im allgemeinen zwischen 6 und 10 Vol.-%
Faseranteil - einzustellen, damit 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 preßgegossenen Leichtmetallkolben
die Festigkeit der Ringnutenflanken, wenigstens der ersten
Ringnut deutlich zu verbessern, ohne dadurch jedoch den
darin eingesetzten Kolbenring einem erhöhten Verschleiß
auszusetzen.
Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß die Fasern
wenigstens im Bereich der Ringnuten parallel zur Ebene des
Kolbenbodens verlaufend ausgerichtet sind.
Der erfindungsgemäß gestaltete Leichtmetallkolben ist in
Fig. 1 in einem durch die Kolbenachse und die Achse der
Kolbenbolzenbohrungen geführten Längsschnitt beispielhaft
dargestellt. An den durch Preßgießen der
Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg hergestellten
Leichtmetallkolben (1) ist ein den Bereich des
Kolbenbodens (2), des Feuerstegs (3) und der ersten
Ringnut (4) umfassender topfartiger einteiliger
Verbundwerkstoffkörper (5), bestehend aus einer die Matrix
bildenden Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg und
20 Vol.-% darin eingebetteten Al2O3-Fasern, die
parallel zur Ebene des Kolbenbodens (2) verlaufend
ausgerichtet sind, angegossen.
Unter Verwendung einer
Ringnutverschleiß-Modellprüfmaschine, mit der die
mechanischen, thermischen und chemischen Bedingungen im
Motorbetrieb simuliert werden können, wurde eine aus dem
Leichtmetallkolben nach Fig. 1 herausgearbeitete
segmentförmige Ringnut- und Kolbenringprobe untersucht.
Aufgrund des für die Modellprüfung zu fordernden
Beanspruchungskollektivs mit kleinen radialen
Relativbewegungsamplituden hoher Frequenz zwischen Ringnut
und Kolbenring ist als Basis für die Modellprüfmaschine
ein nach dem Resonanzprinzip arbeitender Rütteltisch
vorgesehen, auf dem die Ringnutprobe auf eine Heizplatte
aufgespannt ist. Über dem Rütteltisch ist eine ortsfeste,
über einen Exzenter bewegbare Belastungseinrichtung
angeordnet, die die Kolbenringprobe aufnimmt und diese
zyklisch auf die Ringnutprobe drückt. Zusätzlich sind an
dem Rütteltisch eine Querbewegungseinrichtung für die
Ringnutprobe und eine Schmiermittelversorgungseinrichtung
angebaut.
Die radiale Relativbewegung zwischen Ringnut- und
Kolbenringprobe wird durch die Radialbewegung des
Rütteltisches erzeugt. Senkrecht zur Radialbewegung des
Rütteltisches erfolgt die Seitenbewegung, die die relative
Umfangsbewegung zwischen Ringnut und Kolbenring simuliert.
Zur Simulation der Torsion des Kolbenrings in der Ringnut
wird die Kolbenringprobe auf der Ringnutprobe einer
Kippbewegung unterworfen. Bei der Modellprüfung ist eine
kontinuierliche Schmierung der Gleitfläche zwischen
Ringnut- und Kolbenringprobe zwischen Trockenlauf und
voller Schmierung einstellbar. Die Ringnutprobe befindet
sich auf einer elektrischen, widerstandsbeheizten
Heizplatte, deren Wärmezufuhr so geregelt werden kann, daß
die Ringnutprobe bis auf 300°C erwärmbar ist. Die
Beheizung der Kolbenringprobe erfolgt durch
Wärmeübertragung von der Ringnutprobe. Über
Meßwertaufnehmer werden die Rütteltischbewegung, die
Belastung, der elektrische Widerstand sowie die Kipp- und
Querbewegung registriert.
In Fig. 2 sind in dem Säulendiagramm III die aus den
Meßwerten von jeweils fünf Probekörpern errechneten
Mittelwerte der Verschleißraten für verschiedene Bereiche
der Ringnutprobe und für die Kolbenringprobe des nach der
Erfindung aufgebauten Leichtmetallkolbens dargestellt.
Zum Zwecke des Vergleichs wurden zusätzlich fünf
Ringnutproben der Leichtmetallegierung des Typs
AlSil2CuNiMg und fünf Ringnutproben der
Leichtmetallegierung des Typs AlSil2CuNiMg mit 20 Vol.-%
orientierungslos darin eingebetteten Al2O3-Fasern mit
jeweils fünf Kolbenringproben untersucht, deren
Verschleißraten in den Säulendiagrammen I und II
wiedergegeben sind.
Eine vergleichende Gegenüberstellung der Säulendiagramme I
bis III zeigt, daß bei dem durch die erfindungsgemäße
Ausführung des Verbundwerkstoffkörpers verbesserten
Leichtmetallkolben sowohl die Ringnut als auch der
Kolbenring trotz des hohen Anteils an Faserwerkstoff einen
deutlich niedrigeren Verschleiß aufweisen.
Claims (1)
- Preßgegossener Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit im Bereich des Kolbenbodens und des Ringfelds ein- bzw. angegossenem, aus organischen in der Matrix des Werkstoffs des Leichtmetallkolbens mit einem Gehalt von < 10 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-%, eingebetteten Fasern aufgebautem topfartigem einteiligem Verbundwerkstoffkörper, der den gleichen Außendurchmesser wie der Leichtmetallkolben aufweist und in den vorzugsweise die erste Ringnut eingestochen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Verbundwerkstoffkörpers (5) wenigstens im Bereich der Ringnuten (4) parallel zur Ebene des Kolbenbodens (2) verlaufend ausgerichtet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883823704 DE3823704A1 (de) | 1988-07-13 | 1988-07-13 | Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883823704 DE3823704A1 (de) | 1988-07-13 | 1988-07-13 | Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3823704A1 true DE3823704A1 (de) | 1990-01-18 |
Family
ID=6358571
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19883823704 Withdrawn DE3823704A1 (de) | 1988-07-13 | 1988-07-13 | Leichtmetallkolben fuer brennkraftmaschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3823704A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19650930A1 (de) * | 1996-12-07 | 1998-06-10 | Kolbenschmidt Ag | Kolben für Brennkraftmaschine |
EP1087123A3 (de) * | 1999-09-23 | 2002-01-02 | General Motors Corporation | Kolben mit massgeschnittenen mechanischen Eigenschaften |
-
1988
- 1988-07-13 DE DE19883823704 patent/DE3823704A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19650930A1 (de) * | 1996-12-07 | 1998-06-10 | Kolbenschmidt Ag | Kolben für Brennkraftmaschine |
DE19650930C2 (de) * | 1996-12-07 | 2001-03-29 | Kolbenschmidt Ag | Kolben für Brennkraftmaschine |
EP1087123A3 (de) * | 1999-09-23 | 2002-01-02 | General Motors Corporation | Kolben mit massgeschnittenen mechanischen Eigenschaften |
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8130 | Withdrawal |