Kolben aus Leichtmetall mit eingegossenem Schutzring für eine Kolbenringnut Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kolben aus Leichtmetall mit einem eingegossenen Schutzring für eine Kolbenringnut, der aus einem härteren Werkstoff als der Kolben besteht.
Bei der Hin- und Herbewegung der Kolben, ins besondere bei Verbrennungsmotoren, hämmern die Kolbenringe gegen die Wandungen der Kolbenring nuten, wodurch im Laufe der Zeit ein unerwünschter Verschleiss entsteht, der Undichtigkeitsverluste zur Folge hat. Es wurde bei Leichtmetallkolben bereits versucht, die Kolbenringe in Nuten zu lagern, die in einem in den Kolbenkörper eingegossenen Band an geordnet sind. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich dieses Band oft vom Kolbenkörper löst, wodurch wiederum Undichtigkeitsverluste entstehen.
Dieser Nachteil soll beim Kolben nach der Erfindung da durch behoben werden, dass erfindungsgemäss der Schutzring sich innerhalb des Kolbenkörpers konti nuierlich über den ganzen Kolbenumfang erstreckt und dass er über den ganzen Umfang verteilte Aus- nehmungen aufweist, die vom Kolbenmaterial aus gefüllt sind, so dass er im Kolbenkörper verankert ist.
In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungs beispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Kolben mit Schutzring im Aufriss, Fig. 2 einen Schutzring im Grundriss, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4, 6 und 8 zeigen je ein Ausführungsbeispiel im Teilgrundriss, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 4, Fig. 7 :
einen Schnitt nach der Linie 1l-11 in Fig. 6, Fig.9 einen Schnitt nach der Linie 19-19 in Fig. 8, Fig. 10 einen Teilschnitt durch eine Giessform mit eingelegtem Schutzring, Fig. 11 einen Teilschnitt des Kolbens mit einge legtem Schutzring nach Fig. 2, 3, Fig. 12 einen gleichen Teilschnitt mit eingelegtem Schutzring nach Fig. 4, 5 und Fig. 13 eine Variante zu Fig. 12.
In Fig. 1 ist ein an sich bekannter Kolben aus Aluminium mit Kopf 1 und Mantelfläche 2 dar gestellt. Der Kolben ist mit inneren, nicht dargestellten Kolbenbolzenlagern versehen, wobei die Kolbenbolzen durch die Öffnungen 3 eingeführt werden. Der Kopf 1, der etwas schmäler als die Mantelfläche ist, weist Nuten 4 zur Aufnahme der Kolbenringe auf. Der untere Teil der Mantelfläche 2 ist ebenfalls mit einer Kolbenringnut 5 versehen. Die Kolbenringe sind in an sich bekannter Weise aus Eisen (Grauguss) oder aus Stahl. Zwischen dem Kopf 1 und der Mantel fläche 2 ist mindestens ein Schlitz 6 vorgesehen.
Ferner sind innere, nicht dargestellte, vertikale, mit dem dar gestellten Schlitz kommunizierende Schlitze vorge sehen, die sich bis zum unteren Ende des Kolbens erstrecken.
In Fig. 1 ist der Schutzring mit 10 bezeichnet. Ein solcher Ring wird sowohl in die Nuten 4 als in die Nuten 5 eingelegt. Der Ring kann zum Schutz nur von der einen oder von beiden Seiten der Nut vorgesehen werden. Er besteht aus einem metallischen Ring, und zwar aus -einem Metall, das härter als Aluminium ist.
Der Schutzring 10 umschliesst den Kolben neben einer Nut 4 und sein äusserer Rand erstreckt sich in der Nut zum Schutz desselben. Der Schutzring ist mit axialen und radialen Ausnehmungen versehen, durch welche beim Giessen das flüssige Aluminium fliessen kann, wodurch der Schutzring im Kolben verankert wird. Der Schutzring kann aus Stahl- oder Eisenguss bestehen, es ist aber wirtschaftlicher, ihn aus kalt gewalztem Stahl herzustellen. Er kann aber auch aus einer anderen Legierung bestehen, die jedoch den gleichen Ausdehnungskoeffizient wie die üblichen Aluminiumlegierungen haben muss.
Solche Legierun gen aus Nickel, Kupfer, Magnesium, Silikon, Chrom und Kohlenstoff sind an sich zum Beispiel aus dem US-Patent Nr. 1946 081 bekannt. Andere metallische Legierungen sind ebenfalls zulässig, wenn sie härter als Aluminium sind, zum Beispiel Aluminiumbronze. Der Schutzring wird in an sich bekannter Weise zum Beispiel durch Stanzen hergestellt.
Der Schutzring ist im grösseren Massstab in Fig. 2 dargestellt, er ist an seinem inneren Rand mit halb geschlossenen Ausnehmungen 11 versehen. Der äussere Rand ist mit :einer Anzahl Zungen 12 versehen. Um den Schutzring in dem Kolben zu befestigen, wird er in die mehrteilige, aus Eisen oder Stahl bestehende Giessform 13 (Fig. 10) eingelegt, worauf der mit einer Giessöffnung 15 versehene Deckel 14 aufgesetzt wird. Die Giessform weist eine Schulter 16 auf, auf welcher die Zungen 12 aufliegen. Diese Schulter ist derart angeordnet, dass der Ring sich in der Nut des her zustellenden Kolbens erstreckt.
Wenn der Kolben kopf 1 gegossen worden ist (Fig. 2), wird der Kolben überdreht und dadurch die Zungen 12 entfernt. Die Nut 4 wird fertig bearbeitet und der Schutzring 10 schützt eine ihrer Seiten.
Der Schutzring gemäss Fig. 4, 5 besteht aus zwei Ringen 10, die miteinander punktgeschweisst sind. Der äussere Rand jedes Ringes ist mit Ausnehmungen 17 versehen, in welche das Aluminium fliessen kann. Mindestens einer der Ringe ist mit Zungen 18 ver sehen, die zum Stützen des Ringes in der Giessform dienen. Nach dem Giessen und dem Überdrehen des Kolbens werden die Nuten so bearbeitet, dass eine Nut 4 entsteht und die Ringe beide Seiten der Nut schützen (Fig. 12).
In der Ausführung gemäss Fig. 13 werden dünnere derart geformte Ringe verwendet, dass ihre äusseren Ränder nicht in der gleichen Ebene liegen wie die inneren Ränder und die Wände der Kolbennut bilden.
Der Schutzring nach Fig. 6, 7 weist an seinem inneren Rand halbgeschlossene Ausnehmungen 26 auf, währenddem der äussere Rand 27 nach aussen gebogen und mit Zungen 28 versehen ist. Das Ganze ist derart in der Giessform angeordnet, dass der Aussenrand 27 sich in der zu bearbeitenden Nute befindet. Nach Überdrehen und Bearbeitung der Nuten wird dieser Rand 27 die Nutenwand schützen. Der Schutzring nach Fig. 8 und 9 besteht aus zwei Ringen 10, die mit Öffnungen 36 und nach aussen gerichteten Zungen 37 versehen sind. Nach dem Giessen und dem Überdrehen werden die Nuten und gleichzeitig der Schutzring bearbeitet, so dass der beide Seiten der Nut schützt.
Die Nuten des Kolbens sind somit durch einen Schutzring aus einem Metall, das härter als Alumi nium ist, versehen. Dadurch werden die Seitenwände dieser Nuten gegen das Hämmern des Kolbenringes bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens geschützt. Der Schutzring ist im Kolben eingebettet, weil das flüssige Aluminium beim Giessen durch die verschie denen Öffnungen und Ausnehmungen fliessen kann. Wenn der Kolben nach dem Giessen erstarrt, so zieht sich das Metall nach innen zusammen, die Schutz ringe können sich daher nicht mehr radial nach aussen bewegen.
Zur Erreichung dieses Effektes sind die Ausnehmungen entweder halbgeschlossen (Fig. 2, 6) oder am Aussenrand. angeordnet und offen (Fig. 4) oder noch, wie in Fig. 18 gezeigt, geschlossen. Der Schutzring steht nach der Erstarrung des Kolbens unter dauernder Vorspannung. Alle dargestellten Schutzringe sind geschlossene Ringe.
Piston made of light metal with a cast-in protective ring for a piston ring groove The present invention relates to a piston made of light metal with a cast-in protective ring for a piston ring groove, which consists of a harder material than the piston.
When the pistons move back and forth, especially in internal combustion engines, the piston rings hammer against the walls of the piston ring, which in the course of time creates undesirable wear and tear, which results in leakage losses. It has already been tried in light metal pistons to store the piston rings in grooves that are arranged in a band cast into the piston body. However, it has been shown that this band often detaches from the piston body, which in turn leads to leakage losses.
This disadvantage is to be remedied in the piston according to the invention by the fact that according to the invention the protective ring extends continuously within the piston body over the entire circumference of the piston and that it has recesses distributed over the entire circumference, which are filled by the piston material, so that it is anchored in the piston body.
In the accompanying drawings execution examples of the subject invention are shown. 1 shows a piston with a protective ring in elevation, FIG. 2 shows a protective ring in plan, FIG. 3 shows a section along line 3-3 in FIG. 2, FIGS. 4, 6 and 8 each show an exemplary embodiment in partial plan , Fig. 5 shows a section along the line 5-5 in Fig. 4, Fig. 7:
a section along the line 11-11 in FIG. 6, FIG. 9 a section along the line 19-19 in FIG. 8, FIG. 10 a partial section through a casting mold with an inserted protective ring, FIG. 11 a partial section of the piston 2, 3, and 12 show an identical partial section with an inserted protective ring according to FIGS. 4, 5 and FIG. 13 shows a variant of FIG. 12.
In Fig. 1 a known piston made of aluminum with head 1 and surface 2 is provided. The piston is provided with inner piston pin bearings (not shown), the piston pins being inserted through the openings 3. The head 1, which is slightly narrower than the lateral surface, has grooves 4 for receiving the piston rings. The lower part of the lateral surface 2 is also provided with a piston ring groove 5. The piston rings are made of iron (gray cast iron) or steel in a manner known per se. At least one slot 6 is provided between the head 1 and the jacket surface 2.
Furthermore, inner, not shown, vertical, with the slot is provided communicating slots are easily seen that extend to the lower end of the piston.
In Fig. 1, the protective ring is denoted by 10. Such a ring is inserted into both the grooves 4 and the grooves 5. The ring can be provided to protect only one or both sides of the groove. It consists of a metallic ring, made of -a metal that is harder than aluminum.
The protective ring 10 encloses the piston next to a groove 4 and its outer edge extends in the groove to protect it. The protective ring is provided with axial and radial recesses through which the liquid aluminum can flow during casting, whereby the protective ring is anchored in the piston. The guard ring can be made of cast steel or cast iron, but it is more economical to make it from cold-rolled steel. However, it can also consist of another alloy, which, however, must have the same coefficient of expansion as the usual aluminum alloys.
Such alloys of nickel, copper, magnesium, silicon, chromium and carbon are known per se, for example from US Pat. No. 1946,081. Other metallic alloys are also permitted if they are harder than aluminum, for example aluminum bronze. The protective ring is produced in a manner known per se, for example by punching.
The protective ring is shown on a larger scale in FIG. 2; it is provided with semi-closed recesses 11 on its inner edge. The outer edge is provided with: a number of tongues 12. In order to fasten the protective ring in the piston, it is inserted into the multi-part casting mold 13 (FIG. 10) made of iron or steel, after which the cover 14 provided with a pouring opening 15 is placed. The casting mold has a shoulder 16 on which the tongues 12 rest. This shoulder is arranged such that the ring extends in the groove of the piston to be produced.
When the piston head 1 has been cast (Fig. 2), the piston is turned over and thereby the tongues 12 removed. The groove 4 is finished and the protective ring 10 protects one of its sides.
The protective ring according to FIGS. 4, 5 consists of two rings 10 which are spot-welded to one another. The outer edge of each ring is provided with recesses 17 into which the aluminum can flow. At least one of the rings is seen ver with tongues 18, which serve to support the ring in the mold. After casting and over-turning the piston, the grooves are machined so that a groove 4 is created and the rings protect both sides of the groove (Fig. 12).
In the embodiment according to FIG. 13, thinner rings are used that are shaped in such a way that their outer edges do not lie in the same plane as the inner edges and form the walls of the piston groove.
The protective ring according to FIGS. 6, 7 has semi-closed recesses 26 on its inner edge, while the outer edge 27 is bent outward and provided with tongues 28. The whole is arranged in the mold in such a way that the outer edge 27 is located in the groove to be machined. After over-turning and machining the grooves, this edge 27 will protect the groove wall. The protective ring according to FIGS. 8 and 9 consists of two rings 10 which are provided with openings 36 and outwardly directed tongues 37. After casting and over-turning, the grooves and the protective ring are machined at the same time so that it protects both sides of the groove.
The grooves of the piston are thus provided with a protective ring made of a metal that is harder than aluminum. This protects the side walls of these grooves against hammering of the piston ring during the reciprocating movement of the piston. The protective ring is embedded in the piston because the liquid aluminum can flow through the various openings and recesses when pouring. If the piston solidifies after casting, the metal contracts inwards, so the protective rings can no longer move radially outwards.
To achieve this effect, the recesses are either semi-closed (Fig. 2, 6) or on the outer edge. arranged and open (Fig. 4) or still, as shown in Fig. 18, closed. After the piston has solidified, the protective ring is under constant tension. All protective rings shown are closed rings.