DE1008968B - Mantelkolben und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Mantelkoll>en, die vor allem zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge geeignet sind. Diese Kolben werden für gewöhnlich aus einem Metall verhältnismäßig hoher Warmeausdehnung, z. B. Aluminium- und Magnesiumlegierungen, die verschiedene Legierungsl> estand!teile, wie Kupfer, Silizium, Nickel, Mangan usw., enthalten, hergestellt. Ein Zusatz von 12% Silizium setzt die Warmeausdehnung wesentlich herab. Kupfer, Nickel und Mangan geben der Legierung Härte und Festigkeit. Die in Brennkraftmaschinen auftretenden Temperaturen sind jedoch so hoch, daß im warmen Zustand ein Festklemmen und im kalten Zustand ein Klappern möglich ist.

Ein Mantelkolben oder Breitplattenkolben dieser Art besteht aus einem Kolbenkopf, aus einem Kolbenmantel und Kolbenbolzenaugen, die sich an der Innenseite des Kolbenmantels befinden. Der mit Nuten zur Aufnahme der Kolbenringe versehene Kolbenkopf hat einen kleineren Durchmesser als der Kolbenmantel, der den Führungskreuzkopf für den Kolben bildet. Der Kolbenmantel ist in einer Zone oder in zwei Zonen der Druckfläche durch Querschlitze vom Kolbenkopf getrennt. Der Kolbenmantel kann rund sein, hat aber üblicherweise eine Ovalform, wobei sein größerer Durchmesser in den Druckflächenzonen und der kleinere Durchmesser in den Kolbenbolzenaugenzonen liegt. Einige Kolben haben Längsschlitze. Ferner ist der Kolben in den Kolbenbolzenaugenzonen entlastet. Dem Kolbenmantel wird für gewöhnlich eine Kegelform gegeben, deren kleinerer Durchmesser am Kolbenkopf liegt. Es ist jedoch üblich, den im Kolbenmetall befindlichen Einlagering vollständig um den Kolben herumzuführen und¹ entweder vollständig darin einzuschließen oder nicht fest darin zu verankern. Hierbei läßt sich jedoch die Wärmeausdehnung längs des Durchmessers nicht regeln.

Wird ein Kolben dieser Art in einer Dauerform über einen Dauerkern, üblicherweise einen mehrstückigen Kern, gegossen, dann treten Schwierigkeiten bei der Aufstellung dieses Ringes in der Gießform auf, besonders wenn dler Ring in das Gußstück in Umfangsrichtung eingegossen wird. Der Querschlitz des Kolbens, der den Kolbenkopf von dem Kolbenmantel in der Kolbenbolzenaugenzone trennt, erfordert außerdem einen besonderen Arbeitsvorgang, selbst wenn sich die Teilquerschlitze in der unteren Ringnut befinden, oder erfordert eine Freiarbeit in den Zonen, in denen das Anbringen der Schlitze beabsichtigt ist.

Ziel der Erfindung ist ein Kolben der erwähnten Art, dessen Wärmeausdehnung so geregelt werden kann, daß ein gutes Anschmiegen an die Zylinderwand l>ei' warmem oder kaltem Kolben erfolgt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Mantelkolben und Verfahren
zu seiner Herstellung

Anmelder:

Sterling Aluminium Products Inc.,
St. Louis, Mo. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. K. Boehmert, Patentanwalt,
Bremen, Feldstr. 24

William Mayne Veneer, Brentwood, Mo.,

Percy Louis Bowser jun., Ladue, Mo.,
und William Fredrick Peterson, Clayton, Mo.,

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

der Ein! age ring in den beiden Kolbenbolzenaugenzonen des Kolbenmantels starr verankert ist, in einer oder beiden der Druckflächenzonen jedoch unverankert ist und dabei völlig um eine oder beide der Druckflächenzonen herumreicht.

Vorzugsweise ist dabei die Anordnung so getroffen, daß der Einlagering eine größere Steifigkeit in den Kolbenbolzenaugenzonen als in den Druckflächenzonen hat, wobei sich diese größere Steifigkeit teilweise in die Druckflächenzonen erstrecken kann.

Bei dem Verfahren zur Herstellung von Kolben mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß das Kolbenmetall über den Einlagering gegossen wird und daß der Kolbenmantel nach dem Erstarren des Kolbenmetalls von dem Kolbenkopf in der Druckflächenzone oder den Druckflächenzonen getrennt wird.

Dabei empfiehlt es sich, das Kolbenmetall über einen mehrstückigen Kern zu gießen, der eine Bogenfläche hat, die dazu dient, den Einlagering in der Druckflächenzone aufzustellen, und daß der Kern seitlich zusammenklappbar ist, um den Einlagering frei zu machen.

In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein lotrechter Schnitt des Kolbens nach Linie 1-1 der Fig. 2,

Fig. 2 ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 ein der Fig. 2 ähnlicher Schnitt, der das. Kolbengußstück an sich in einer Gießform auf einem mehrstückigen Kern zeigt,

Fig. 5 ein der Fig. 3 ähnlicher Schnitt des Kolbengußstückes in einer Gießform auf einem mehrstückigen Kern, und

709 510/227

Fig. 6 ist ein der Fig. 5 ähnlicher Schnitt mit herausgezogenem Mittelkern und zusammengelegtem Seitenkern.

Ein Mantelkolben aus Metall verhältnismäßig hoher Wärmeausdehnung, der einen Kolbenkopf, einen mit Kolbenbolzenaugen versehenen Kolbenmantel und Druckflächen aufweist, die von dem Kolbenkopf in der einen oder beiden' Druckflächenzonen in Längsrichtung getrennt sind, hat ein aus einem Metall verhältnismäßig niedriger Wärmeausdehnung bestehendes Regelelement, z. B. einen Einlagering, der innerhalb des oberen Abschnittes dies Kolbenmantels liegt, ferner teilweise oder völlig um den oberen Abschnitt des Kolbenmantels, aber völlig um eine oder beide Druckflächenzonen herumreicht und in den Kolbenbolzenaugenzonen fest verankert, aber in den Druckflächenzonen radial jedoch unverankert ist. Dieses Regelelement kann in Axialrichtung in den Kolbenbolzenaugenzonen eine größere Steifigkeit haben als in den Druckflächenzonen, wobei sich diese größere Steifigkeit teilweise in die Druckflächenzonen hinein erstrekken kann.

Bei der Herstellung eines solchen Mantelkolbens werden der Kolbenkopf und der Kolbenmantel aus Metall hoher Wärmeausdehnung über den innerhalb des Kolbenmantels aufgestellten Einlagering verhältnismäßig niedriger Wärmeausdehnung gegossen, wobei das Kolbenmetall den Ring in den Kolbenlageraugenzonen radial umgibt und den Riog verankert, den Einlagering jedoch in den Druckflächenzonen frei und radial unverankert läßt. Dann wird das Gießmetall zum Erstarren gebracht und abgekühlt, so daß das Metall und der Einlagering gespannt werden. Darauf wird der Kolbenmantel von dem Kolbenkopf in Axialdichtung in einer Druckflächenzone oder in beiden Druckflächenzonen, in Axialrichtung getrennt, so daß sich die abgetrennte Druckfläche oder die abgetrennten Druckflächen nach außen verschieben. Der Kolben wird dann in der üblichen Weise fertiggestellt. Derartige Kolben werden allgemein in Dauerformen oder Metallformen gegossen, so daß sie an der Innenseite des Kolbens überhaupt keine Bearbeitung und an der Außenseite dieses Kolbens nur wenig Bearbeitung erfordern.

In dem beschriebenen Kolben besteht der Einlagering aus einem Metall verhältnismäßig niedriger Wärmeausdehnung. Der Ring kann aus kalt gewalztem Stahl hergestellt sein, der den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie die Zylinderwand. Der Einlagering kann jedoch auch aus einem Stahl bestehen oder aus einem Metall hergestellt sein, das einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der beispielsweise fast Null ist. Ein Stahl dieser Art ist bekannt und ist bereits als Einlagering, für Kolben aus Alumimium- und Magnesiumlegierungen, verwendet worden.

Bei dem in den· Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Kolben hat der Kolbenkopf 1, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Kolbenmantel 2, mehrere Ringnuten 3j während der Kolbenmantel 2 zwei einwärts gerichtete Kolbenbolzenaugen 4 hat. Von den Kolbenbolzenaiugen ausgehende Rippen 5 geben dem Kolbenkopf eine größere Festigkeit. Der Kolbenmantel selbst ist in den Druckflächenzonen dünnwandig und kann in den Kolbenbolzenaugenzonen druckentlastet sowie an seinem unteren Rand mit den üblichen Ausgleichhenkeln 6 ausgerüstet sein. Der Kolbenkopf ist in den Druckflächenzonen von dem Kolbenmantel durch halbkreisförmige Schlitze 7 getrennt, bleibt jedoch in den Bolzenaugenzonen mit dem Mantel starr darin verbun den. Die Schlitze 7 können sich auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Kolbens befinden. Der Kolben kann ferner in einer Seite oder in beiden Seiten seines Mantels einen lotrechten Schlitz 8 haben. Der lotrechte Schlitz ist jedoch bei dem erfindungsgemäßen Kolben nicht erforderlich.

Der Einlagering 10 (Fig. 3) besteht aus Metall verhältnismäßig geringer Wärmeausdehnung. Der Einlagering 10 hat die Form eines durch Ausstanzen hergestellten Ringes, Im Bereich der Kolbenbolzenaugen hat der Einlagering eine verhältnismäßig große Radialbreite 11, während er in den Druckflächenzonen eine verhältnismäßig geringe Radialbreite hat, so daß also ein Einlagering entsteht, der an zwei gegenüberliegenden Sektorenabschnitten eine größere Steifigkeit hat als an denjenigen Zonen der sich gegenüberliegendien Sektorenabschnitte, die rechtwinklig zu den erstgenannten Sektorenabschnitten stehen. Die in die Kolbenbolzenaiugenzonen eingegossenen Sektorenabschnitte 11 größerer Steifigkeit erstrecken sich vorzugsweise zum Teil in die Druckflächenzonen hinein. Beispielsweise kann jeder Sektor 12 einen Bogen von etwa 30° umfassen.

Der Einlagering wird in den Kolben in den in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Stellungen eingegossen. Er liegt am Scheitel des Kolbenmantels und unterhalb der später eingearbeiteten Utnf angs- oder Querschlitze. In dieser Stellung wird der Einlagering völlig in das Metall des Kolbenmantels in den Kolbenbolzenaugenzonen eingegossen und starr darin verankert, liegt jedoch in den Druckflächenzonen einfach an den Mantel an und ist dort -unverankert.

Oberhalb des Eimlageringes 10 hat das Gußstück Leisten 13, deren Stärke an der Oberkante in Radialrichtung durch eine Abschrägung 14 verringert ist, doch ist der Durchmesser an den Oberseiten der Abschrägung größer als der Durchmesser am Boden der unteren Ringnut 3. Unterhalb des Einlageringes 10 sind spitz zulaufende Leisten 15 vorhanden, die von den Bolzenaugen 4 ausgehen und in den Druckflächenmitten auslaufen. Am Boden des Kolbenmantels kann auch eine nach innen vorstehende Verstärkungsrippe 16 vorhanden sein.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen das Verfahren und die Vorrichtung zum Gießen des Kolbengußstückes. Die beiden auf einem Fußgestell aufgestellten äußeren Formhälften 20 können voneinander getrennt werden. Jede Formhälfte hat einen Kern 21 zum Formen der in den Kolbenbolzenaugen befindlichen Vertiefungen. Ein Mittelkern besteht aus Einzelstücken, im vorliegenden Falle den Einzelkernen 22, 23 und 24 und aus Seitenkernen 25. Diese Kerne haben Vertiefungen, um die Kolbenbolzenaugen 4 sowie die Rippen 5 und andere Innenteile des Bolzens zu formen, mit Ausnahme der Teile, die von dem Mittelkern geformt werden, aber einschließlich von Teilen der spitz zulaufenden Leisten 15. Die Kernabschnitte 23 und 24 sowie die Seitenkerne 25 haben Vertiefungen 28 mit darunterliegenden Schultern zur Aufnahme des Einlageringes 12, der in die Vertiefung bei zusammengeklapptem Kern eingesetzt werden kann. Jedes Kernstück 23 und 24 hat oberhalb der Vertiefung 28 und oberhalb des Einlageringes eine Ausladung 26, die die Leiste 13-14 formt. Das Kernstück 23 kann auch einen Kern 27 haben, dar den in dem Kolbenmantel befind^- liehen lotrechten Schlitz ergibt.

Nachdem der Einlagering auf den zusammengeklappten Kern aufgelegt und dann der Kern ausgedehnt worden ist, werden die Formabschnitte 20 geschlossen. Zum Gießen des Gußstückes wird das Metall dann in

den Gießtrichter 29 gegossen. Der Metallkern wird dann zusammengeklappt, indem zuerst das Mitteilstück 22 herausgezogen wird, so daß die Kernstücke 23 und 24 gegenseitig bewegt werden können, um den Einlagering 12 von den Kern teilen 23 und 24 frei zu machen und die Ausladungen 26 herauszuziehen. Der gesamte Mittelkern wird dann aus dem Gußstück herausgezogen. Die Seitenkerne 25 werden dann in die von dem Mittelkern frei gemachten Räume geschoben. Die Form kann dann geöffnet und das Kolbengußstück herausgezogen werden.

Wie aus den Fig. 4, 5 und 6 ersichtlich, sind die Ausladungen 26 und die Vertiefungen sowie die darunter befindlichen Schultern nicht nur in den Teilen 23 und 24 des Mittelkerns vorhanden, sondern erstrecken sich auch in die Seitenkerne 25. Die Seitenkerne sowie die Ausladungen, Vertiefungen und Schultern sind jedoch so bemessen, daß ihre Sehnenabmessungen radial innerhalb der Sehnenabmessungen des Ringes 10 und der auf dem Kolben geformten Leisten 13 liegen. Wenn also die Seitenkerne in die von dem Mittelkern freien Räume gezogen werden (Fig. 6), hebt sich der gesamte Mittelkern einschließlich der Ausladungen, Vertiefungen und Schultern von dem Ring und der Leiste ab. Das flüssige Metall ist jedoch so geflossen, daß die Druckfläche mit dem Kolbenmantel unterhalb der in den Kolbenbolzenaugenzonen befindlichen Ausladung verbunden ist.

Nach Herstellung des Kolbengußstückes, das an der Innenseite völlig fertig ist, wird der Eingußtrichter entfernt. Dann werden die Ringnuten 3 gedreht. Beim Drehen der unteren Ringnut, deren Radius kleiner ist als der Radius der Ausladung 28, werden die Queroder Umfangsschlitze 7 hergestellt, wobei die Druckfläche oder die Druckflächen mit dem Kolbenmantel unterhalb dieser Nut in der Kolbenbolzenaugenzone verbunden bleiben. Der Kolben wird dann in der üblichen Weise fertig bearbeitet, wobei ein erforderlicher kegelförmiger und ovaler oder runder Umriß hergestellt wird.

Nach dem Gießen des Kolbens, jedoch vor dem Einfräsen der Schlitze 7, haben die Teile die in Fig. 5 dargestellte Lage. Bei dem Erstarren und Kühlen aus dem geschmolzenen Zustand in den kalten Zustand schrumpft das Gießmetall, z. B. Aluminium, schneller als der Stahlring 10, so daß sich das Kolbenmetall zusammenzieht und schließlich einen Spannungszustand erreicht. Hierbei wird der Stahlring unter Druck gesetzt, und zwar im Radialrichtung und in Umfangsrichtung. Wenn nun die Umfangsschlitze 7 gefräst werden, verschieben sich der Stahl und der Kolben nach außen, so daß der Kolben einen ovalen Umriß annimmt, dessen Hauptachse in Fig. 3 senkrecht steht, weil insbesondere wegen der verminderten Radialbreite der Sektoren an diesen Flächen in den Druckflächenzonen teilweise eine Druckentlastung erfolgt. Der Kolben bleibt jedoch teilweise unter Zugspannung, während der Ring teilweise unter Druck- und unter Radialbeaufschlagung bleibt. Aus Darstellungsgründen ist die Ovalform übertrieben groß gezeichnet, während die tatsächliche Verzerrung nur klein ist. Anschließend wiird der Kolben bearbeitet und dem Kolbenmantel der übliche runde oder ovale Umriß gegeben. Bei einem ovalen Umriß liegt der große Durchmesser auf der Druckflächenachse und der kleine Durchmesser auf der Lagerbolzenachse. Entlastungsflächen können in den Bolzenaugenzonen gegossen sein, wie dies bei manchen Kolben üblich ist. Der Stahking bleibt bis zu seiner Verwendung im Motor etwas oval, dann steht das Kolbenmetall teilweise unter Zugspannung, während der Ring teilweise unter Druckbeaufschlagung steht.

Ein auf diese Weise hergestellter Kolben kann einen sehr kleinen Spiekaum haben und schmiegt sich kalt oder warm immer dicht an, und zwar aus folgenden Gründen: Beim Erwärmen dies Kolbens dehnt sich der Kolbenkopf in allen Richtungen radial aus. Diese radiale Ausdehnung des Kolbenkopfes wird auf den Kolbenmantel jedoch nur in den Bolzenaugenzonen übertragen. Dadurch erfolgt eine teilweise Druckentlastung längs der Kolbenbolzenachse, so daß sich das Kolbenmetall und der Stahlring längs dieser Achse nach außen verschieben. Der Ring will also in seine ursprüngliche runde Form zurückkehren. Hierbei wird¹ die Beanspruchung itn dem Kolbenmetall an den Druckflächenzonen ebenfalls aufgehoben, so daß sich das Metall mit dem Stahlxing an diesen Flächen nach innen bewegt. Selbst wenn der Kolben aus einer Aluminiumlegierung besteht, bleibt er mit einem sehr kleinen . Spielraum, der selbst unter 0,025 mm beträgt, mit dem Zylinder ausgerichtet. Die Sektoren 11 sind in dien Druckflächen starr verankert, weil das Metall völlig um die Sektoren 11 herumgegossen ist. Der Ring hat infolge seines Aufbaues die Form eines an einem Ende eingespannten, im übrigen frei tragenden Trägers odter Kragträgers, der in den Bolzenaugenzonen verankert ist und in die Druckflächenzone ragt. Das Kolbenmetall umgibt jedoch nicht die Ringsektoren 12, sondern liegt nur an der Außenseite dieser Ringsektoren und bei der dargestellten besonderen Ausführung an einer der Seiten (der oberen Seite, Fig. 2) dieser Sektoren an, mit Ausnahme der verjüngten Leisten 15, die von. den Kolbenbolzenaugen ausgehen und in den Drueknächenmittel an der unteren Seite des Ringes einmünden. Wie jedoch aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Leisten 15 sehr schmal, so daß das Festhalten der Ringsektoren 12 und eines Teils der Ringsektoren 11 von den Leisten 15 nach dem Erstarren nur sehr gering ist. Der Einlagering ist also* radial und axial in den Kolbenbolzenaugenzonen verankert, ist jedoch in den Druckflächenzonen radial und axial unverankert, so daß sich die Druckflächen stets mit dem Ring biegen, wenn sich die Kolbentemperatur beim Betrieb des Motors erhöht. An der Druckfläche oder den Druckflächen stehen der Einlagering und die darüber befindliche Legierung daher unter Zugspannung, wenn der Kolben kalt ist. Diese Zugspannung wird allmählich aufgehoben, wenn sich der Kolben des Motors erwärmt. Durch diese Anordnung wird die Kolbenmantelabmessung in Radialrichtung aufrecht gehalten. An den Druckflächen bleibt daher der Kolbenmantel infolge des eingebauten Einlageringes immer genau dimensioniert.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mantelkolben von verhältnismäßig hoher Wärmeausdehnung, bestehend aus einem Kolbenmantel mit Kolbenbolzenaugen und Druckflächen, von denen eine Fläche oder beide Flächen in Umfangsriehiung vom Kolbenkopf getrennt sind, sowie einem Einlagering aus einem Metall von verhältnismäßig geringer Wärmeausdehnung, der am Scheitel des Kolbenmantels an dessen Innenseite anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlagering in den beiden Kolbenbolzenaugenzonen des Kolbenmantels starr verankert ist, in einer oder beiden der Druckflächenzonen jedoch unverankert

ist und dabei völlig um eine oder beide der Druckflächenzonen herumreicht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlagering eine größere Steifigkeit in den Kolbenbolzenaugenzonen als in den Druckflächenzonen hat.

3. Kolben nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die größere Steifigkeit des Einlageringes in den Kolbenbolzenaugenzonen teilweise in die Drackflächenzonen erstreckt.

4. Kolben nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlagering und das darüber befindliche Kolbenmetall unter Zugspannung stehen, wenn der Kolben kalt ist, wobei die Zugspannung beim Aufwärmen des Kolbens allmählich aufgehoben wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Mantelkolbens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenmetall über den Einlagering gegossen wird und daß der Kolbenmantel nach dem Erstarren des Kolbenmetalls von dem Kolbenkopf in der Druckflächenzone oder den Druckflächenzonen getrennt wird.

6. Verfahren zur Herstellung eines Mantelkolbens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kolbenmetall über einen mehrstückigen Kern gegossen wird, der eine Bogenfläche hat, die dazu dient, den Einlagering in der Druckflächenzone aufzustellen, und daß der Kern seitlich zusammenklappbar ist, um den Einlagering frei zu machen.

7. Verfahren zur Herstellung eines Mantelkolbens nach Anspruch 1, bei dem der Kolbenkopf des fertigen Kolbens eine Diehtungsnut hat und das Kolbenmetall in eine Dauerform über einen mehrstückigen Dauerkern gegossen wird¹, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt des Kerns an dem Scheitel in der Zone der zu formenden Druckfläche eine radial zum Boden der zu formenden Ringnut verlaufende bogenförmige Ausladung hat, so daß die Druckfläche beim Herstellen der Ringnut geschlitzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldungen K 14379 XII47 f,
M 22361 XII/47f.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709 510/227 5.