DE8028685U1

DE8028685U1 - Kolben aus leichtmetall fuer brennkraftmaschinen mit einer im kolbenboden angeordneten brennraummulde

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Publication number: DE8028685U1
Application number: DE19808028685U
Authority: DE
Original assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH
Current assignee: Alcan Aluminiumwerk Nuernberg GmbH
Priority date: 1980-10-28
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1981-02-12

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER ;4

PATENTANWÄLTE ''{ DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197ί) . D I PL.-I NG. W. EITLE · D R. R E R. N AT. K. H O FFMAN N · D I PL.-1 N G. W. LEHN ^l

. DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN V

ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MO N C H E N 81 · TELE FON (089) 911087 · TE LE X 05-29619 (PATH E) ', >

Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde

Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dessen Werkstoff in oder nahe der Begrenzungszone der Brennraummulde thermisch veredelt ist.

In der DE-PS 2 124 595 ist ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetallkolben mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde beschrieben, das darin besteht, daß, ausgehend von einem Vorwerkstück, dessen Brennraummulde um eine

Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH, 6000 Frankfurt am Main

h. Bearbeitungszugabe in radialer Richtung verkleinert ist, der

p Bereich des späteren Brennraummuldenrandes durch Umschmelzen

|| mittels eines Ladungsträgerstrahles veredelt wird, in dem zwei

) ^v oder drei untereinander und zum Brennraummuldenrand parallel verlaufende, sich teilweise überdeckende Umschmelznähte mittels eines quer zu deren Verlauf bzw. kreisförmig oder elliptisch schwingenden Ladungsträgerstrahles erzeugt v/erden, und daß danach der Brennraummuldenrand durch Entfernen der Bearbeitungszugabe freigelegt wird.

'Ziel dieser bekannten Umschmelzbehandlung ist es, einen für das !Beanspruchungsniveau an der Brennraummuldenbegrenzung besser geeigneten Werkstoffzustand zu erreichen, d.h. den Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde dadurch zu veredeln, daß dem Werkstoff ein anderes, insbesondere feinkörnigeres Gefüge, eine höhere Festigkeit und eine größere Dehnfähigkeit verliehen wird. Beim Umschmelzverfahren entstehen jedoch im umgeschmolzenen Werkstoff Eigenspannungszustände, die sich nachteilig auf die Rißneigung des umgeschmolzenen Werkstoffs in der Begrenzungszone der Brennraummulde auswirken. Der Kolbenboden und damit auch die Begrenzungszone der Brennraummulde unterliegen nämlich während des Betriebes ungleichmäßigen, sich überlagernden mechanischen und thermischen Belastungen. So verformt sich der Kolbenboden unter dem Zünddruck im Bereich der Mittelebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse konkav mit der Folge des Entstehens von Druckspannungen und im Bereich der Mittelebene durch die Kolbenbolzenachse konvex mit der Folge des Auftretens von Zugspannungen. Im Bereich des Brennraumrandes der mit heißen Gasen unmittelbar beaufschlagt wird, entstehen zusätzlich höhere thermische Belastungen als im übrigen Bereich des Kolbenbodens (vgl. zu dieser Problematik z.B. DE-OS 2.8 33 873).

Nachdem bei dem bekannten Verfahren der Werkstoff in der gesamten Begrenzungszone der Brennraummulde gleichmäßig umgeschmoizen wird, wirken sich in dem Fall, in dem aufgrund des

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Umschmelzvorgangs Zugeigenspannungen im Werkstoff erzeugt werden, diese Zugeigenspannungen in den Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde, in denen betriebsbedingte Zugspannungen auftreten, negativ aus, während in dem Fall, in dem das Schmelzverfahren im Werkstoff Druckeigenspannungen hervorruft, diese Druckeigenspannungen in denjenigen Bereichen schädliche Folgen haben können, die unter Betriebsbedingungen Druckspannungen unterworfen sind. Die gleichgerichteten Eigenspannungen addieren sich dann nämlich zu den betriebsbedingten thermischen und mechanischen Spannungen mit der Wirkung einer noch höheren Belastung des Materials und damit einer erhöhten Gefahr der Rißbildung in der Begrenzungszone der Brennraummulde.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kolben der vorausgesetzten Art zu schaffen, bei dem die Gefahr der Rißbildung über die gesamte Begrenzungszone der Brennraummulde verringert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der vorausgesetzten Art dadurch gelöst, daß der Werkstoff im wesentlichen nur in den Bereichen der Begrenzungszone der Brennraummulde, in denen unter Betriebsbedingungen Druckspannungen entstehen, Zugeigenspannungen aufweist und/oder der Werkstoff im wesentlichen nur in der, Bareichen, in denen unter Betriebsbedingungen Zugspannungen .auftreten, Druckeigenspannungen besitzt.

Der erfindungsgemäße Kolben ist dadurch charakterisiert, daß der Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung derart unterzogen ist, daß eine Umschmelzbehandlung, die Zugeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen vorgenommen ist, in denen unter Betriebsbelastungen Druckspannungen entstehen (Fig. 1 bis 3) und/oder eine

Umschmelzbehandlung, die Druckeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen vorgenommen ist, in denen unter Betriebsbelastung Zugspannungen entstehen (Fig. 4).

Die erfindungsgemäße Lösung ist danach dadurch gekennzeichnet, die Eigenspannungen des Werkstoffes in der Begrenzungszone der Brennraummulde des Kolbens so einzustellen, daß diese den unter Betriebsbedingungen in den jeweiligen Bereichen auftretenden mechanischen und/oder thermischen Spannungen entgegenwirken, so daß die Gesamtbelastung des Werkstoffs in der Begrenzungszone der Brennraummulde erniedrigt wird mit der Folge einer weitgehenden Vermeidung der Gefahr der Rißbildung im Bereich der Begrenzungszone der Brennraummulde.

Entsprechend der Erfindung wird in der Begrenzungszone der Brennraummulde der UmschmeIzvorgang so vorgenommen, daß die dadurch entstehenden Eigenspannungen den betriebsbedingten Spannungen entgegenwirken, oder die Umschmelzbehandlung nur in Bereichen durchgeführt wird,in denen die dadurch auftretenden Eigenspannungen im Werkstoff nicht gleichsinnig zu den unter Betriebsbelastungen auftretenden thermischen und mechanischen Spannungen wirken. So dürfen z. B. im Bereich der Mittelebene durch die Kolbenbolzenachse keine Zugeigenspannungen ergebende Umschmelzbehandlungen durchgeführt werden, weil in diesem Bereich gerade betriebsbedingte Zugspannungen auftreten. Andererseits liegt das Gebiet im Überströmbereich der Verbrennungsgase aus der Wirbelkammer bei Motoren mit indirekter Einspritzung in der Mittelebene des Kolbens senkrecht zur Kolbenbolzenachse in einer Zone mit Druckspannungen. In dieser Zone sind durch den Umschmelzvorgang entstehende Zugeigenspannungen geeignet, die Rißneigung des Kolbens zu vermindern.

Um den Betriebsspannungen durch die durch den Umschmelzvorgang
erzeugten Eigenspannungen des Werkstoffs besonders gut entgegenzuwirken, können Größe und Verlauf der Eigenspannungen
diametral zu Größe und Verlauf der Betriebsspannungen gewählt
und eingestellt werden.

Zweckmäßige Ausbildungen bzw. Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens bzw. von derartig hergestellten Kolben ergeben
sich aus den übrigen Patentansprüchen und im Zusammenhang mit
<Jler Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Es ist von Vorteil, wenn im betriebsbedingten Druckspannungs- §

?! bereich des Kolbenbodens die Umschmelzbehandlung auf einer i|

ο $ oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 20 |.

bis 160°, vorzugsweise von 40° bis 140° zur Kolbenbolzenachse, |

f bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung %

heranreicht (Fig. 5). . $

Für den betriebsbedingt mit Druckspannungen beaufschlagten |

Bereich des Kolbenbolzens ist es hingegen von Vorteil, daß |

die Umschmelzbehandlung oberhalb eines oder beider Bolzenaugen $

auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich |

von 0° bis 60°, vorzugsweise von 0° bis 45° zur Bolzenachse, |

innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von §<

der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung |

durchgeführt wird (Fig. 6). Bei dieser Vorgehensweise erzeugen |

die im umgeschmolzenen Werkstoffbereich erzeugten Zugeigen- s

i spannungen in dem die endgültige Oberfläche der Brennraummulden- $ begrenzung darstellenden Werkstoffbereich Druckeigenspannungen, f die in gewünschtem Maße den betriebsbedingten Zugspannungen I

% entgegenwirken. §

Um sowohl den betriebsbedingten Zug- als auch Druckspannungen | in vorteilhafter Weise entgegenzuwirken, empfiehlt es sich, daß |

die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder An allen vier Sektoren der Brennraununuldenbegrenzung so ausgeführt ist, daß in dem Bereich zwischen 20° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 90° zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraununuldenbegrenzung heranreicht, und in dem Bereich zwischen 0° und 60°, vorzugsweise zwischen 0° und 45° zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraununuldenbegrenzung liegt (Fig. 7).

Zur Erzielung der angesprochenen Verteilung von Zugeigenspannungen und Druckeigenspannungen ist es ferner von Vorteil, daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt ist,, daß die Umschmelzzone in dem Bereich zwischen 45° und 90 , vorzugsweise zwischen 50° und 90° zur Kolbenbolzenachse,, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht und in dem Bereich zwischen 0° und 45°, vorzugsweise zwischen 0° und 40° zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt, wobei im Zwischenbereich die beiden Umschmelzzonen in kurvenförmigem oder geradem Verlauf ineinander übergehen (Fig. 8)

Schließlich kann es zur Erreichung der angesprochenen Wirkungsweise zweckmäßig sein, daß die Brennraummuldenbegrenzung einer Umschmelzbehandlung unterzogen ist, bei der die Umschmelzone entlang einer Kurvenform verläuft, so daß im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht, während sie im Bereich über den Bolzenaugen innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 9).

-ιο-

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Es kann sich, wie allgemein üblich, empfehlen, die Brennraummulde des zu bearbeitenden Kolben-Rohlings um eine Bearbeitungszugabe in radialer Richtung zu verkleinern und nach der Umschmelzbehandlung die Bearbeitungszugabe entsprechend, z. B. durch Fräsen, zu entfernen, und zwar u. U. in dem Fall, in dem der umgeschmolzene Werkstoff die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung bilden soll.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kolbens werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In sämtlichen Figuren ist der Kolben insgesamt mit 1, die Brennraummulde mit 2 und die Kolbenbolzenachse mit A bezeichnet. Die umgeschmolzenen Werkstoffbereiche, in denen Zugeigenspannungen entstahen, sind mit ZE markiert, während die Werkstof fbereiche, in denen Druckeigenspannungen erzeugt werden, mit DE bezeichnet sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Kolben, bei dem in der Begrenzungszone der Brennraummulde 2 in den Bereichen, in denen betriebsbedingt Druckspannungen entstehen, d.' h. in der Mittelebene senkrecht zur Kolbenbolzenachse A, eine Zugeigenspannungen erzeugende Umschmelzbehandlung vorgenommen worden ist.

Ein gleiches gilt für den Kolben nach Fig. 3, der lediglich eine anders gestaltete Brennraummulde besitzt.

In Fig. 4 ist ein Kolben dargestellt, bei dem eine Umschmelzbehandlung in Bereichen der Begrenzungszone der Brennraununulde 2 vorgenommen worden ist, in denen unter Betriebsbelastung
Zugspannungen entstehen. Diese Bereiche liegen oberhalb der
Kolbenbolzenachse A.

Fig. 5 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, bei dem in von betriebsbedingten Druckspannungen beaufschlagtet Bereichen der Begrenzungszone der Brennraununulde 2 eine Um-

Schmelzung des Werkstoffes unter Erzielung von Zugeigenspannun-

gen vorgenommen worden ist. Dabei bilden die umgeschmolzenen

Werkstoffzonen nach der Fertigbearbeitung unmittelbar die
endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung. Es sind
ferner in Fig. 5 die bevorzugten Dimensionierungen der umgeschmolzenen Werkstoffzonen eingetragen.

Fig. 6 stellt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens dar, bei dem in den Bereichen, die betriebsbedingt Zugspannung^ unterliegen, d.h. in etwa in der Mittelebene durch die Kolbenbolzenachse A,Druckeigenspannungen erzeugt werden. Dies erfolgt dadurch, daß in den angegebenen Bereichen Werkstoffzonen umgeschmolzen werden, die im Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegen. Auf diese Weise erzeugen die in den umgeschmolzenen Werkstoffzonen hervorgerufenen
Zugeigenspannungen in den die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung bildenden Werkstoffzonen Druckeigenspannungen, die im Betrieb den betriebsbedingten Zugspannungen entgegenwirken.

-Fig. 7 zeigt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens, bei dem die ümschmelzbehandlung in einem Sektor der Brennraummuldenbegrenzung so ausgeführt worden ist, daß in dem Bereich zwischen 20° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 90° zur
Kolbenbolzenachse A, die Zugeigenspannungen aufweisende

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umgeschmolzene Werkstoffzone ZE bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht und in dem ι Bereich zwischen 0 und 60°, vorzugsweise zwischen 0° und
45 zur Kolbenbolzenachse, die umgeschmolzene Werkstoffzone 4 im Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummulden-'
begrenzung liegt mit der Folge, daß die Zugeigenspannungen in ' der angesprochenen umgeschmolzenen Werkstoffzone in der daran
angrenzenden Werkstoffzone, die zumindest teilweise die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung darstellt,
Druckeigenspannungen hervorrufen.

Die Fig. 8 stellt die Draufsicht auf den Kolbenboden eines Kolbens dar, bei dem die angesprochenen Umschmelzbereiche in einem
Zwischenbereich entweder kurvenförmig oder geradlinig ineinander übergehen. Darüber hinaus sind bevorzugte Bereichsgrenzen
angegeben.

Schließlich zeigt die Fig. 9 die Draufsicht auf den Kolbenboden
eines Kolbens, bei der die Umschmelzzone entlang der Brennraummuldenbegrenzung in einer Kurvenform derart verläuft, daß

im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die umschmelzzone bis

ι, an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzuncf & reicht, während sie im Bereich der Kolbenbolzenachse innerhalb | des Werkstoffs des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen ) Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt. %

Claims

HOFFMANN · EITLE & PARTNER PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (19300976) . DIPL.-ING. W. EITLE · D R. RER. N AT, K. HOFFMANN . Ol PL.-1N G. W. LEHN DIPL.-ING. K.FDCHSIE · DR. RER. NAT. B, HANSEN ARABELLASTRASSE * · D-8000 MDNCH EN Bl . TELEFON (0B9) 911087 ■ TELEX 05-29419 (PATH E) Alcan Aluminiumwerk Nürnberg GmbH, 6000 Frankfurt am Main Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde Schutzansprüche

1. Kolben aus Leichtmetall für Brennkraftmaschinen mit einer im Kolbenboden angeordneten Brennraummulde, dessen Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde thermisch veredelt ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Werkstoff in der Begrenzungszone der Brennraummulde einer Umschmelzbehandlung derart unterzogen ist, daß eine umschmelzbehandlung, die Zugeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen vorgenommen ist, in denen unter Betriebsbelastungen Druckspannungen entstehen (Fig. 1 bis 3) und/oder eine Umschmelzbehandlung, die Druckeigenspannungen erzeugt, nur in Bereichen vorgenommen ist, in denen unter Betriebsbelastung Zugspannungen entstehen (Fig. 4).

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2. Kolben nach"Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unischmelzbehandlung auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 20° bis 160°, vorzugsweise von 40° bis 140 zur Kolbenbolzenachse, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht (Fig. 5).

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch · gekennzeichj net, daß die Umschmelzbehandlung oberhalb eines oder beider Bolzenaugen auf einer oder beiden Seiten der Kolbenbolzenachse im Bereich von 0° bis 60 , vorzugsweise von 0 bis 45 zur Bolzenachse, innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung durchgeführt wird (Fig. 6).

4. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so vorgenommen ist, daß in dem Bereich zwischen 20° und 90°, vorzugsweise zwischen 45° und 90° zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung heranreicht, und in dem Bereich zwischen 0 und 60°, vorzugsweise zwischen 0° und 45° zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 7).

5. Kolben nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Umschmelzbehandlung in einem, in zwei, in drei oder in allen vier Sektoren der Brennraummuldenbegrenzung so vorgenommen ist, daß die Umschmelzzone in dem Bereich zwischen 45° und 90°, vorzugsweise zwischen 50° und 90° zur Kolbenbolzenachse, bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht und in dem Bereich zwischen 0° und 45 , vorzugsweise zwischen 0° und 40 zur Kolbenbolzenachse, die Umschmelzzone innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt, wobei im Zwischenbereich die beiden ümschmelzzonen in kurvenförmigen oder geradem Verlauf ineinander übergehen (Fig. 8).

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Brennraummuldenbegrenzung einer Umschmelzbehandlung unterzogen ist, bei der die Umschmelzzone entlang einer Kurvenform verläuft so daß im Bereich quer zur Kolbenbolzenachse die Umschmelzzone bis an die endgültige Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung reicht, während sie im Bereich über den Bolzenaugen innerhalb des Werkstoffes des Kolbenbodens mit Abstand von der endgültigen Oberfläche der Brennraummuldenbegrenzung liegt (Fig. 9).