DED0012232MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 9. Mai 1952 Bekanntgemacht am 18. Oktober 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit Ringnuten, deren Flanken durch im Abstand voneinander eingegossene flache, ringsegmentförmige Bleeheinlagen aus einem härteren Metall, insbesondere aus Stahl, bewehrt sind.

Es ist seit langem bekannt, in thermisch hochbeanspruchten Leichtmetallkolben die zur Aufnahme der Dichtringe erforderlichen Ringnuten nicht im Kolbenwerkstoff, sondern in sogenannten Ringträgern, d. h. in massiven, in den Kolbenkörper eingegossenen ringförmigen Einlagen aus Stahl oder Bronze, vorzusehen. Die Anordnung solcher massiver Ringträger erhöht nicht nur in unerwünschter Weise das Gewicht der mit ihnen bewehrten Kolben, sondern bereitet auch insofern Schwierigkeiten, als die Wärmeausdehnungsbeiwerte der Werkstoffe des Ringträgers und des Kolbens in der Regel so stark voneinander abweichen, daß bei den betriebsbedingten Temperatu rsch wankungen unzulässig hohe Spannungen auftreten. Außerdem hemmen solche Ringträger in unerwünschter Weise den Wärmefluß vom Kolbenboden zu den Ringen und zur Zylinderwand.

Es : ist auch bereits bekannt,' an Stelle massiver Ringträger ringsegmentförmige Einlagen vorzusehen, welche nur Abschnitte der zu schützenden Ringnutenflanken und gegebenenfalls auch des Nutengrundes derart bewehren, daß zwischen je zwei durch ein Einlagestück bewehrten Abschnitten

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ein unbewehrter, nur aus dem Kolbenwerkstoff gebildeter Abschnitt liegt. Solche Einlagen vermögen der temperaturbedingten Ausdehnung und Zusammenziehung des Kolbenwerkstoffes um so besser zu folgen, je kleiner sie sind, d. h. in je mehr Abschnitte die" zu bewehrende Nut durch sie unterteilt ist. Mit fortschreitender Unterteilung macht es jedoch immer mehr Schwierigkeiten, solche Segmente betriebssicher im Kolbenwerkstoff zu verankern. Man hat sich daher bis jetzt vielfach damit begnügt, die einzelnen Ringnuten durch wenige Einlagesegmente von verhältnismäßig großer Ausdehnung zu bewehren, obwohl sich dabei die Unterschiede des Wärmedehnungsverhaltens der verwendeten Werkstoffe stärker bemerkbar machen als bei stärkerer Unterteilung'in kleinere Einheiten.

Eine Verankerung durch eine derartige Gestaltung der Einlagesegmente, daß sie vom Kolbenwerkstoff umschlossene Ausbuchtungen oder Ausnehmungen aufweisen, wurde schon vor, längerer 'Zeit vorgeschlagen. Es handelt sich dabei vorwiegend um Ausführungsformen, bei denen eine formschlüssige Verankerung nur im Bereich des inneren > Randes der Einlagen erzielt wurde, die lediglich eine Sicherung . gegen radiale Verschiebung der Einlagen bietet. Das genügt aber nicht, denn es darf nicht übersehen werden, daß die Einlagesegmente im Betrieb in erheblicher Weise durch axial wirkende Massenkräfte (Trägheitswiderstände) und durch das »Hämmern« der mit axialem Spiel eingesetzten Kolbenringe beansprucht werden, die mit der Zeit zu einer Lockerung der Einlagen führen, wenn nicht auch eine hinreichend feste, .in axialem Richtung wirksame Verankerung gegeben ist. Eine solche ist zwar in Form von schwalbenschwanzartigen Stegen auf der im Kolbenwerkstoff eingebetteten Seite von Ringnutenbewehrungen ebenfalls bekannt, jedoch können solche Stege nur an verhältnismäßig dickwandigen Einlagen durdh kostspieliges Bearbeiten derselben, erzeugt werden.. Außerdem setzen sie einen verhältnismäßig großen Abstand der einzelnen Ringnuten voraus, da sonst die zwischen den Ringnuten stehenbleibenden Ringstege durch die in sie eingebetteten Schwalbenschwanzstege zu sehr geschwächt wurden.

Nach einem neueren Vorschlag sollen diese Nachteile dadurch vermieden werden, daß man die Ringnutenflanken bewehrende Segmente durch metallische Bindung*" z. B. nach dem in der britisehen Patentschrift^iJ 599 684 beschriebenen Verfahren, im Kolbenwerkstoff verankert. Derartige Verfahren, welche darauf abzielen, eine innige Ver- ·: schweißung 'des Elnlagenwerkstoffes mit dem Kolbenwerkstoff dufch Bildung einer Diffusionszone zu schaffen,, sitfä in der Praxis so schwierig durchzuführen, daß Immer damit gerechnet werden muß, daß die Bindung an einzelnen Stellen mangel-

■--■ haft ist. Das ist üm^; so unangenehmer, je kleiner die einzugießenden- Einlagesegmente sind, weil da-

60. mit die"'Wahrscheinlichkeit wächst, daß das eine oder andere Segment überhaupt keine tragfähige

Verankerung aufweist: Hinzu kommt,' daß die ge¹ schaffenen 'Diffusion's'zoneh, welche die Bindung bewirken sollen, in der Regel sehr spröd sind und daher häufig rissig werden. Tritt das ein, so ist die beabsichtigte Verankerung ebenfalls aufgehoben. Um volle Sicherheit zu erlangen, sind deshalb auch bei metallisch gebundenen Einlagesegmenten noch mechanische Verankerungen erforderlich, womit sich aber wieder die beschriebenen Mängel einstellen. · ■

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine allen Anforderungen gerecht werdende und insbesondere auch in axialer Richtung wirksame ' formschlüssige Verankerung ohne großen Aufwand auch bei verhältnismäßig dünnwandigen Blecheinlagen der eingangs beschriebenen Art zu erzielen. Diese Aufgäbe wird ,dadurch gelöst, daß die radialen Begrenzungsflächen der einzelnen Einlagesegmente derart schrägwinklig zu ihrer mit der Nutenflanke bündigen Ebene verlaufend gestaltet werden, daß die Einlagen im Kolbenwerkstoff schwalbenschwanzartig verankert sind. Obwohl durch diese .Maßnahme bei flacher Ausbildung der Einlagesegmente nur . verhältnismäßig schmale Anlageflächen geschaffen werden können, haben praktische Erprobungen gezeigt, daß so verankerte und ausgebildete Ringnutenflankenbewehrungen auch nach langen Betriebszeiten absolut fest im Kolbenwerkstoff sitzen und den auftretenden Beanspruchungen ohne Lockerung standhalten. .

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert, und zwar zeigt

Fig. ι einen Teilschnitt durch eine Ringnut eines Kolbens, deren Flanken durch flache Segmenteinlagen bewehrt sind,

Fig. 2 eine Frontansicht dieser mit Einlagen bewehrten Ringnut und

Fig. 3 eine radiale Teilschnittansicht einer Ausführungsform, bei welcher die Einlagesegmente der Flanken je zweier benachbarter Ringnuten unterV einander zusammenhängen.. ....

In der Ausführung der Erfindung gemäß den Fig. ι und 2 sind Hartmetalleinsätze in der Form von Stahlblechsegmenten 1, welche Teile der oberen und unteren Flanke einer Kolbenringnut 2 bewehren, im Leichtmetallkörper 3 eines Brennkraftmaschinenkolbens eingebettet.

Wie durch strichpunktierte Linien in Fig. 1 angedeutet ist, bilden die Segmente 1 zunächst nach innen einspringende Teile eines Ringes 11, der aus U-förmig gebogenem Blech gerollt ist. Dieser Ring wird in die zur Herstellung, des Kolbens bestimmte, entsprechend geteilte Gußform eingelegt, und zwar vorzugsweise so, daß er innerhalb der Form ein geringes axiales Spiel hat, so daß das Kolbenmetall nach dem Guß und während des Kühlungs- und Schrumpfzeitraumes, die Segmente in Richtung der Achse ziehen kann. Umgekehrt folgen die Segmen te während der Erwärmung des Kolbens vom ; kalten Zustand dem Wachsen des Kolbens ohne irgendwelche Spannung in der Bindung zwischen Körper und Segmenten. Der gegossene Kolben wird nun in an sich bekannter Weise durch. Wegnehmen der strichpunktiert eingezeichneten Teile

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auf Maß bearbeitet, wobei der Ringteil ii wegfällt und nur die einzelnen, voneinander getrennten Segmente ι übrigbleiben. Diese bedecken ungefähr 50% der gesamten Fläche der Nutenflanken, jedoch kann dieses Verhältnis durch Änderung der Anzahl und Form der Stahlsegmente noch variiert werden. In allen Fällen wird jedoch ein direkter Weg im Aluminium zwischen dem Kolbenkopf und den Kolbenbolzenaugen zur Übertragung von Explosions- und Trägheitskräften vorgesehen. Dies bedeutet, daß die Stahlsegmente 1 von diesen Beanspruchungen entsprechend entlastet werden und diese abwechselnden Belastungen in keinem hohen Maße zu tragen haben. Deshalb werden weder thermische Belastungen infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten noch mechanische Belastungen im Betrieb die Bindung zwischen Stahlseg- - menten und umgebendem Aluminiumkörper überbeanspruchen.

Die seitlichen Begrenzungsflächen 12 der Stahlsegmente ι sind derart winklig geschnitten, daß eine schwalbenschwanzartige Verankerung im Leichtmetallkörper des Kolbens gegeben ist, welche die Segmente in axialer Richtung in ihrer Lage sichert. In ähnlicher Weise sind die Segmente auch in radialer Richtung etwas abgeschrägt, so daß sie gegen radiale Auswärtsbewegung gehalten werden. Außerdem sind zur Sicherung in radialer Richtung die inneren Enden 13 der Segmente 1 leicht aufgebogen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 hat der Kolben drei Ringnuten, und die Einsätze 1 sind ursprünglich durch drei Verbindungsringe 11 zu einem einzigen Bauteil zusammengefaßt, wobei die äußeren Teile später, wie die strichpunktierten Linien andeuten, weggeschnitten werden, so daß getrennte Einlagesegmente übrigbleiben, welche die Nutenflanken für die Kolbenringe teilweise bewehren. Je zwei dieser Segmente, welche zu benachbarten Nuten gehören, hängen durch innere Verbindungsstücke 14 zusammen, wodurch eine weitere Verankerung erzielt wird.

Der so armierte Kolben ist billig in der Herstellung und im Werkstoffaufwand iTnd dauerhaft im Betrieb. Er hat, da die Erfindung — wie ausdrücklich wiederholt sei — sich auf flach gehaltene Einlagen beschränkt, ein leichtes -Gewicht und ist stark und wirksam wärmeleitend, so daß übermäßige Temperaturerhöhungen vermieden werden. Insbesondere leitet er die Wärme von der Peripherie des Kolbens in der Nähe des Kolbenkopfes ab. Dadurch wird ein Versagen an der empfindlichsten Stelle verhindert, indem harte, verschleißfeste Oberflächen in Berührung mit den Dichtungsringen stehen und der Zusammenhang des Kolbenwerkstoffaufbaues zwischen dem Kolbenkopf und den Kolbenbolzenlagern beibehalten wird und zur gleichen Zeit ununterbrochene Wege für den Fluß der Wärme vom Kolbenboden zur Ringzone und zum Kolbenschaft vorgesehen sind.

Alle diese Kennzeichen tragen zur Erhaltung der Bindung zwischen Segmenten und dem Leichtmetallkörper bei, um dem Aufbau ein für allemal .die Eigenschaft eines einstückigen Teiles zu verleihen und eine einwandfreie Fassung der Dichtringe über eine lange Betriebsperiode zu gewährleisten.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit Ringnuten, deren Flanken durch im Abstand voneinander eingegossene flache, ringsegmentförmige Blecheinlagen aus einem härteren Metall, insbesondere aus Stahl, bewehrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Begrenzungsflächen der Blecheinlagestücke derart schrägwinklig zu ihrer mit der Nutenflanke bündigen Ebene verlaufen, daß die Einlagen im Kolbenwerkstoff schwalbenschwanzartig verankert sind.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagestücke etwa 50% der Oberfläche der zu schützenden Ringnutenflanken bedecken.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewehrungen der Nutenflanken je aus mehr als sechs im Abstand voneinander angeordneten Einlagen bestehen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 533924, 611 383; britische Patentschrift Nr. 642 042;
französische Patentschrift Nr. 455 539.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen