DE4100854A1 - Keramikkolben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Keramikkolben für eine Kolben-Zylindereinheit, insbesondere einer Verbren­ nungskraftmaschine.

Die Verwendung von Keramik anstelle konventioneller Werkstoffe, wie Stahl, hat eine Reihe von Vorteilen, insbesondere sind keramische Werkstoffe temperatur­ beständig und so hart, daß sie auch bei längerem Ver­ schleiß nicht abnutzen, so daß aus keramischen Werk­ stoffen gefertigte Teile auch nach längerem Gebrauch maßhaltig bleiben. Diesen Vorteilen stehen eine Reihe von Nachteilen gegenüber, keramische Werk­ stoffe sind spröde und lassen sich daher und wegen ihrer großen Härte nur schwer bearbeiten, eine span­ abhebende Bearbeitung ist überhaupt nicht möglich.

Trotz dieser Nachteile hat man versucht, die Kolben von Verbrennungskraftmaschinen aus keramischen Werkstoffen zu fertigen, da diese Kolben wegen ihrer praktisch zu vernachlässigenden Wärmeausdehnung so maßhaltig ge­ fertigt werden können, daß die Vorsehung von Kolben­ ringen entfallen kann.

Bei Anwendung konventioneller Konstruktionsprinzipien muß der Kopf der Schub- oder Pleuelstange den im Unter­ teil des Kolbens angeordneten Kolbenbolzen umschließen. Wegen der im Betrieb, insbesondere bei schnellaufenden Motoren auftretenden hohen dynamischen und statischen Kräfte müssen der Kolbenbolzen einerseits und das Auge im Schubstangenkopf andererseits absolut winkelgerecht und maßgetreu ausgebildet sein. Bereits geringe Winkel­ fehler führen bei dem spröden Material des Kolbens zu Rissen und Brüchen. Das genaue Anbringen der Bohrung für den Kolbenbolzen ist jedoch im keramischen Material besonders schwierig, da durch die beim Bohren auftreten­ de hohe Flächenpressung maßliche Veränderungen in diesem Bereich nicht zu vermeiden sind. Die Querbohrung muß daher durch Honen oder Läppen oder auch eine Ultraschall­ behandlung nachbearbeitet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Keramik­ kolben zu schaffen, der keinen Kolbenbolzen benötigt und dessen Konstruktion auf die spezifischen Eigenschaften des keramischen Materials abgestimmt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Bei der Erfindung ist das Gelenk zwischen Kolben und Schubstangenkopf als Kugel-Pfannen-Lager ausgebildet, das wie ein Universalgelenk wirkt, so daß ein Winkel­ versatz zwischen der Achse der Schubstange und der Gleitrichtung des Kolbens keinerlei nachteilige Aus­ wirkungen hat. Derartige Universalgelenke sind im Prinzip aus dem Kompressorenbau bekannt. Allerdings wurden sie bisher bei Keramikkolben noch nicht einge­ setzt, da bisher keine praktikable Möglichkeit bekannt war, die beiden Kolbenteile verläßlich miteinander zu verbinden.

Erfindungsgemäß wird dazu ein Spannring und vorzugs­ weise eine Kombination von einem zweigeteilten Dehnungs­ ring und einem Spannring verwendet, deren Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß der die beiden Dehnungsringe und den Spannring zusammenhaltende Kraft­ schluß mit steigender Temperatur wächst. Dieses Phänomen wird dadurch erreicht, daß die Dehnungsringe und der Spannring aus unterschiedlichen Materialien bestehen, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten verschieden sind. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des äußeren Spannrings ist kleiner als derjenige der Dehnungsringe, so daß sich diese mit dem Spannring mit steigender Temperatur immer fester verklemmen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die die Dehnungsringe aufnehmende Nut im Kolben so ge­ formt, daß sie radial unterschiedlich tiefe Bereiche auf­ weist, in welche die Dehnungsringe formschlüssig eingrei­ fen. Selbst dann, wenn sich der bei Umgebungstemperatur bestehende Kraftschluß zwischen den Dehnungsringen und Kolbenkopf bzw. Kolbenhemd bei Erreichen der Betriebs­ temperatur lockert, bleibt doch der Formschluß zwischen dem Nutprofil und den komplementär ausgebildeten Deh­ nungsringen erhalten. Die Dehnungsringe selbst werden durch den auf die beiden Ringe aufgeschrumpften Spann­ ring zusammengehalten.

Alternativ kann auch ein einziger Spannring aus Zirkon­ oxid oder vorgerecktem Stahl verwendet werden. Dieses Material hat einen negativen Ausdehnungskoeffizienten, d. h. es zieht sich bei steigender Temperatur zusammen, wobei der Kraftschluß zwischen dem Spannring und den Kolbenteilen verstärkt wird. Zur Montage müssen die keramischen Kolbenteile abgekühlt werden, beispielsweise durch Eintauchen in flüssigem Stickstoff.

Nachfolgend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Keramikkolben mit montierter Schubstange und die

Fig. 2a bis c die Einzelteile des Kolbens, wobei ledig­ lich die Dehnungsringe und der Spannring im Schnitt dargestellt sind.

Der in Fig. 1 im Schnitt gezeigte Keramikkolben besteht aus dem Kolbenkopf 10 und dem Kolbenhemd 12. Sowohl im Kolbenkopf, als auch im Kolbenhemd ist eine halbkugel­ förmige Kalotte derart eingeformt, daß sich bei zusam­ mengefügten Kolbenteilen ein kugelförmiger Hohlraum ergibt, der den Kopf 14 der Schubstange 16 aufnehmen kann.

Die halbkugelförmige Kalotte im Kolbenhemd 12 ist von der Unterseite her trichterförmig aufgeweitet, um eine gewisse Beweglichkeit der Schubstange 16 gegenüber dem Kolben sicherzustellen.

Da die Kalotten halbkugelförmig sind, kann das Einführen des Schubstangenkopfes 14 ohne Schwierigkeiten erfolgen, der Kopf 14 wird zunächst in den Kolbenkopf 10 einge­ setzt, anschließend wird das Kolbenhemd 12 mit dem Kol­ benkopf 10 verbunden.

Die Verbindung zwischen Kolbenkopf 10 und Kolbenhemd 12 erfolgt durch zwei Dehnungsringe 18, 20 und einen darübergeschobenen Spannring 22.

Die beiden Dehnungsringe bestehen beispielsweise aus Messing, wogegen der Spannring aus Stahl besteht. Die Dehnungsringe weisen eine umlaufende Stufe auf, die komplementär zu einem entsprechenden Nutprofil im Kolben­ kopf und Kolbenhemd ausgebildet ist. Die Nut weist radial zwei unterschiedlich tiefe Bereiche auf, wie aus den Fig. 2a und 2c entnommen werden kann. Die Dehnungsringe 18, 20 werden auf Kolbenkopf und Kolbenhemd aufge­ schrumpft, d. h. sie werden soweit erhitzt, daß sie trotz des Nutprofils auf Kolbenkopf und Kolbenhemd auf­ geschoben werden können. Nach dem Abkühlen auf Umgebungs­ temperatur bilden sie einen festen Kraftschluß mit den entsprechenden Kolbenteilen, wobei beachtet werden muß, daß das Material der Dehnungsringe auch nach dem Ab­ kühlen auf Umgebungstemperatur nicht überdehnt wird, sondern im Elastizitätsbereich verbleibt. Die Technik des Aufschrumpfens ist dem Fachmann bekannt, so daß die Dimensionierung der Ringe in bezug zu den Keramik­ kolben eine Routineangelegenheit ist.

Nachdem die Dehnungsringe 18, 20 auf Kolbenkopf und Kolbenhemd aufgeschrumpft sind, wird die Schubstange 16 eingeführt, die Kolbenteile zusammengefügt und der Spannring 22 aufgeschrumpft. Auch hier muß darauf geachtet werden, daß die Fließgrenze des Materials beim Abkühlen nicht überschritten wird. Für den Fall, daß die Dehnungsringe 18, 20 aus Messing bestehen, kann der Spannring beispielsweise aus Stahl bestehen.

Selbstverständlich sind auch andere Materialpaarungen möglich. Wichtig ist lediglich, daß der Wärmeausdehnungs­ koeffizient der Dehnungsringe höher ist, als derjenige des Spannrings, so daß sich der Kraftschluß zwischen Dehnungsringen und Spannring bei steigender Temperatur verstärkt.

Bei Betriebstemperatur wird sich möglicherweise der Kraftschluß zwischen den Dehnungsringen 18, 20 und den Kolbenteilen verringern, der Formschluß bleibt jedoch aufrechterhalten und die beiden Dehnungsringe werden durch den sich verstärkenden Kraftschluß mit dem Spannring in ihrer Relativstellung fixiert. Mit dieser Ausführung ist ein Keramikkolben geschaffen, der in bemerkenswert einfacher und eleganter Weise die bisher als unüberwindbar angesehenen Schwierigkeiten der Montage von Keramikteilen überwindet.

Alternativ ist es auch denkbar, statt der Dehnungs- und Spannringe aus unterschiedlichem Material einen Spann­ ring aus einem Material mit negativem Wärmeausdehnungs­ koeffizienten zu verwenden. Derartige Materialien sind bekannt, beispielsweise können vorgereckte Spezial­ stähle dafür eingesetzt werden.

Bei der Bemessung der Nut muß darauf geachtet werden, daß deren radiale Tiefe so groß ist, daß der Spann­ ring auch bei Erreichen der Betriebstemperatur radial innerhalb der Nut verbleibt, um ein Verklemmen mit den Laufflächen des Zylinders zu vermeiden.

Das Material der Schubstange 16 und der Schubstangen­ kopf 14 kann ebenfalls Keramik sein. Die Material­ paarung muß so gewählt werden, daß der Schubstangen­ kopf 14 trotz der auftretenden Kräfte leicht und mit geringer Reibung im Kolbenkopf beweglich ist.

Claims (7)

1. Keramikkolben für eine Kolben-Zylindereinheit, ins­ besondere einer Verbrennungskraftmaschine, gekennzeichnet, durch einen zweiteiligen Aufbau in Form eines Kolben­ kopfes (10) und eines Kolbenhemdes (12), wobei im Kolben­ kopf (10) und im Kolbenhemd (12) jeweils eine Halbkugel­ kalotte ausgebildet ist, die beim Kolbenhemd (12) zur Unterseite des Kolbens trichterförmig aufgeweitet ist, wobei der kugelförmig geformte Kopf (14) einer Schub­ stange (16), die trichterförmige Aufweitung durchsetzend, formschlüssig von der Kugelkalotte umfaßt wird, die von Kolbenkopf und Kolbenhemd gebildet wird und daß im Be­ reich der Trennfuge zwischen Kolbenkopf (10) und Kolben­ hemd (12) eine radiale Nut vorhanden ist, die teilweise im Kolbenkopf und teilweise im Kolbenhemd ausgeformt ist und daß in die Nut ein umlaufender Spannring (22) einge­ setzt ist, der Kolbenkopf (10) und Kolbenhemd (12) bei Umgebungs- und Betriebstemperaturen form- und/oder kraft­ schlüssig zusammenhält.

2. Keramikkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut im Kolbenkopf (10) und/oder im Kolbenhemd (12) radial unterschiedlich tiefe Bereiche aufweist und der komplementär ausgebildete und aufgeschrumpfte Spann­ ring (22) formschlüssig in das Nutprofil eingreift.

3. Keramikkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Nutbereich des Kolbenkopfes (10) und des Kolben­ hemdes (12) je ein Dehnungsring (18 bzw. 20) angeordnet ist, der komplementär zum Nutprofil ausgebildet ist und formschlüssig in das Nutprofil eingreift und die beiden Dehnungsringe axial von dem Spannring (22) übergriffen werden, der aufgeschrumpft ist.

4. Keramikkolben nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsringe (18, 20) einen größeren Wärme­ ausdehnungskoeffizienten haben als der Spannring (22).

5. Keramikkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsringe (18, 20) auf Kolbenkopf (10) und Kolbenhemd (12) jeweils aufgeschrumpft sind.

6. Keramikkolben nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsringe aus Messing und der Spannring aus Stahl besteht.

7. Keramikkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (22) aus einem Material mit negativem Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere einem vorgereckten Stahl besteht.