DE4229071A1 - Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise für Dieselmotoren, der unter Druck gegossen und erstarrt ist, mit einer im Bereich der Nabe jedes Bolzenauges von der Innenkante her wenigstens über einen Teil der tragenden Länge verlaufenden, oberhalb der die Bolzenrichtung einschließenden Horizontalebene eingegossenen schalenförmige Einlage, die sich beidseitig der die Bolzenrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene erstreckt und einen Teil der Gleitfläche für den Kolbenbolzen bildet.

Zur kraftflußgerechten Abstützung des Bodens von hohen Zünddruckbelastungen ausgesetzten, aus Aluminium-Silizium-Kolbenlegierung gegossenen Kolben, insbesondere für Dieselmotoren, bietet sich die sogenannte Blockabstützung oder deren abgeschrägte Variante, die sogenannte Trapezabstützung, bei denen die Naben der Bolzenaugen ohne wesentliche Hinterschneidungen in den Kolbenboden übergehen, an. Wenn jedoch der Kolbenboden durch Zünddruckbelastungen und Wärmespannungen so hoch beansprucht wird, daß der Wert der zulässigen mittleren Flächenpressung zwischen dem Kolbenbolzen und den Naben der Bolzenaugen die Grenze von etwa 650 bar überschreitet, dann muß auf werkstoffliche Sonderlösungen zurückgegriffen werden, um den Wechselwirkungen der Gestaltfestigkeit von Bolzennaben und Kolbenboden gerecht zu werden.

Zur lokalen Verfestigung von gegossenen Leichtmetallkolben sind, wie in der EP-A-0 270 139 beschrieben, im Bereich der Naben der Bolzenaugen oberhalb der die Bolzenrichtung einschließenden Horizontalebene Faserformkörper eingegossen, die sich beidseitig der die Bolzenrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene von der Innenkante der Naben mindestens über einen Teil der tragenden Länge der Naben der Bolzenaugen erstrecken und einen Teil der Gleitfläche des Kolbenbolzens bilden, wobei das offene Porenvolumen der Faserformkörper vollständig mit dem Kolbenwerkstoff ausgefüllt ist. Die Fasern sind parallel zur Ebene des Kolbenbodens ausgerichtet, innerhalb dieser Ebene ist die Orientierung statistisch regellos. Abgesehen davon, daß faserverstärkte Leichtmetallkolben eines deutlich höheren Herstellungsaufwands bedürfen, bewirken solche Faserformkörper nur eine Steigerung der Gestaltfestigkeit in zwei Spannungsebenen, während in der dritten Spannungsebene die Gestaltfestigkeit praktisch nicht verbessert wird. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß für die Bearbeitung der Bohrungen in den Bolzennaben der Einsatz von Spezialwerkzeugen bei relativ niedrigen Drehgeschwindigkeiten erforderlich ist, um die geforderte Oberflächengüte zu erreichen. Ungünstig ist auch, daß die Faserkörper nach dem Einguß einen hohen Eigenspannungszustand in dem angrenzenden Bereich des Kolbenwerkstoffs erzeugen, weil zwischen dem Kolbenwerkstoff und dem Werkstoff des Faserformkörpers große Unterschiede im Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Bei Erwärmung des Leichtmetallkolbens wird diese Spannung abgebaut, wodurch sich die Naben der Bolzenaugen unrund verformen können.

In Technisches Handbuch, H. 3, S. 32, Kolbenschmidt AG, Neckarsulm 1989, ist eine Verstärkung der Naben der Bolzenaugen durch in die Naben eingegossene Lagerbuchsen, die aus ermüdungsfestem Gleitlagerwerkstoff auf Kupferbasis bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient nahe bei dem von Aluminium-Silizium-Kolbenlegierung liegt, wie z. B. CuAl10Ni oder CuAl10Fe, beschrieben. In der DE-B-10 47 527 ist ein Leichtmetallkolben für mischungsgeschmierte Zweitakt-Brennkraftmaschinen wiedergegeben, bei dem im oberen Teil der Naben der Bolzenaugen eine halbe aus Bronze bestehende Lagerbuchse eingegossen ist. Da sich zwischen den eingegossenen Lagerbuchsen und dem Leichtmetall-Kolbenwerkstoff kein ausreichend metallischer Verbund an der gemeinsamen Berührungsfläche der beiden Werkstoffe herstellen läßt bzw. die durch Aufschrumpfen des Kolbenwerkstoffs auf die Laufbuchse erzielbaren Kräfte nicht ausreichen, besteht die Gefahr, daß die Lagerbuchsen im Dauerbetrieb des Motors losgeschlagen und aus den Bolzenaugen herausgetrieben werden.

Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, bei dem eingangs beschriebenen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen eine Einlage in den Naben der Bolzenaugen anzuordnen, die eine dreidimensionale Steigerung der Gestaltfestigkeit des Leichtmetallkolbens erzeugt, die eine formschlüssige Verbindung mit dem Kolbenwerkstoff bildet, deren Werkstoff eine gute Verträglichkeit mit dem Werkstoff des Kolbenbolzens besitzt sowie darüberhinaus gute Notlaufeigenschaften und einen ausreichenden Verschleißwiderstand aufweist. Ferner soll durch die eingegossene Einlage das Gewicht des Leichtmetallkolbens nur unbedeutend erhöht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Einlage aus gepreßten und gesinterten Spänen eines auf Gleitung beanspruchbaren metallischen Werkstoffs besteht, deren offenes Porenvolumen mit Kolbenwerkstoff ausgefüllt ist. Dadurch wird eine nicht unwesentliche Steigerung der mittleren Flächenpressung der Naben der Bolzenaugen auf einen Wert von bis zu 800 bar erzielt. Die Einlage ist formschlüssig mit dem Leichtmetallkolben verbunden, so daß sie während des Motorbetriebs nicht losgeschlagen und aus den Bolzen herausgetrieben werden kann. Die Bohrungen in den Naben lassen sich mit den üblichen Schneidwerkzeugen und hohen Schneidgeschwindigkeiten herstellen. Ein ganz besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß sich die Einlagen aus Abfallspänen formen lassen.

Die Breite der Einlagen beträgt wenigstens 20%, vorzugsweise 25 bis 50% der tragenden Länge der Naben der Bolzenaugen.

Entsprechend der im Motorbetrieb zu erwartenden zulässigen mittleren Flächenpressung beträgt der Umfangswinkel der Einlagen 30 bis 120°, vorzugsweise 45 bis 85°.

Um das Gewicht der Einlage möglichst niedrig zu halten, kann diese so ausgebildet sein, daß der Umfangswinkel von der Innenkante der Naben der Bolzenaugen nach außen hin kontinuierlich abnimmt und im Rahmen der vorzugsweisen Ausgestaltung an der Innenkante der Naben der Bolzenaugen 90 bis 120° und an ihrem außenseitigen Ende 30 bis 60° ausmacht.

Im allgemeinen besitzt die Einlage die Form eines Hohlzylinderstücks mit einer Wanddicke von 3 bis 8 mm.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Wanddicke des Hohlzylinderstücks von der oberen Scheitellinie der Naben der Bolzenaugen nach den Seiten hin kontinuierlich abnehmen.

Die Einlage besteht vorzugsweise aus einem Gußeisenwerkstoff der Zusammensetzung 3,5 bis 17,5% Nickel, 5,5 bis 7,5% Kupfer, 1,8 bis 2,5% Chrom, 1,0 bis 2,5% Silizium, 1,0 bis 1,5% Mangan, maximal 3% Kohlenstoff, Rest Eisen oder aus Stahl mit der Bezeichnung 42CrMo4 oder aus Kupfer-Bronze, die ein gutes Gleitverhalten gegenüber dem Werkstoff des Kolbenbodens aufweisen.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß gestalteten Leichtmetallkolbens.

Die linke Hälfte der Zeichnung zeigt einen Teilschnitt durch den Leichtmetallkolben entlang der die Kolbenachse und die Richtung senkrecht zur Kolbenachse einschließenden Ebene.

Die rechte Hälfte der Zeichnung zeigt einen Teilschnitt durch den Leichtmetallkolben entlang der die Kolbenachse und die Bolzenrichtung einschließenden Ebene.

Bei dem aus einer Aluminium-Siliziumlegierung des Typs AlSi12CuNiMg im Squeeze-Casting-Verfahren gegossenen, den Kolbenkopf (1) mit der Brennraummulde (2) und den Kolbenschaft (3) mit den darin integrierten Naben (4) der Bolzenaugen (5) mit Trapezabstützung (6) umfassenden Kolben ist in den Naben (4) der Bolzenaugen (5) jeweils eine sich beidseitig der die Bolzenrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene erstreckende, von der Innenkante über 45% der tragenden Länge der Naben (4) der Bolzenaugen (5) verlaufende zylinderstückförmige Einlage (7), deren Umfangswinkel 90° beträgt, eingegossen. Diese Einlage (7) besteht aus gepreßten und gesinterten Stahlspänen mit der Sortenbezeichnung 42CrMo4, wobei deren offene Poren vollständig mit dem Kolbenwerkstoff ausgefüllt sind.

Claims (11)

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen, vorzugsweise für Dieselmotoren, der unter Druck gegossen und erstarrt ist, mit einer im Bereich der Nabe jeden Bolzenauges von der Innenkante her wenigstens über einen Teil der tragenden Länge verlaufenden, oberhalb der die Bolzenrichtung einschließenden Horizontalebene eingegossenen schalenförmigen Einlage, die sich beidseitig der die Bolzenrichtung und die Kolbenachse umfassenden Ebene erstreckt und einen Teil der Gleitfläche für den Kolbenbolzen bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (7) aus gepreßten und gesinterten Spänen eines auf Gleitung beanspruchbaren metallischen Werkstoffs besteht, deren offenes Porenvolumen mit Kolbenwerkstoff ausgefüllt ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Einlage (7) wenigstens 20%, vorzugsweise 25 bis 50% der tragenden Länge der Naben (4) der Bolzenaugen (5) einnimmt.

3. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkel der Einlage (7) 30 bis 120°, vorzugsweise 45 bis 85° beträgt.

4. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkel der Einlage (7) von der Innenkante der Naben (4) der Bolzenaugen (5) nach außen hin kontinuierlich abnimmt.

5. Leichtmetallkolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangswinkel der Einlage (7) an der Innenkante 90 bis 120° und an ihrem außenliegenden Ende 30 bis 60° beträgt.

6. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (7) die Form eines Hohlzylinderstücks besitzt.

7. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Einlage (7) 3 bis 8 mm beträgt.

8. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Einlage (7) von der oberen Scheitellinie der Naben (4) der Bolzenaugen (5) aus nach beiden Seiten hin kontinuierlich abnimmt.

9. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (7) aus Spänen eines Gußeisenwerkstoffs der Zusammensetzung 3,5 bis 17,5% Nickel, 5,5 bis 7,5% Kupfer, 1,8 bis 2,5% Chrom, 1,0 bis 2,5% Silizium, 1,0 bis 1,5% Mangan, maximal 3% Kohlenstoff, Rest Eisen besteht.

10. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (7) aus Spänen der Stahllegierung des Typs 42CrMo4 besteht.

11. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (7) aus Spänen von Kupfer-Bronze besteht.