DE10129046B4

DE10129046B4 - Kolben für eine Brennkraftmaschine mit einem Eingußkörper

Info

Publication number: DE10129046B4
Application number: DE2001129046
Authority: DE
Inventors: Wilfried Heinrich; Ralf Buschbeck; Walter Braunauer; Matthias Laqua
Original assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: DE10129046A1

Abstract

Kolben (1), insbesondere ein Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden (2), einem Ringfeld (3) und Kolbenschäften (4) mit Bolzenbohrungen (5), dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenboden (2) zumindest ein Bereich (6) vorhanden ist, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden (2) besteht, wobei der Bereich vollständig von dem Material des Kolbenbodens (2) umgeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere einen Kolben für eine Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.
Bei beweglichen Kolben, insbesondere bei Kolben für moderne Brennkraftmaschinen, besteht grundsätzlich ein Gewichtsproblem, da die bewegte Masse des Kolbens beschleunigt und abgebremst werden muss. Ziel ist es daher, den Kolben in Abhängigkeit seiner Einsatzbedingungen möglichst leicht, d. h. mit geringem Gewicht, zu konstruieren, ohne dass die Festigkeit und die Betriebssicherheit des Kolbens darunter leidet.
Zur Gewichtsreduzierung von Kolben ist schon vorgeschlagen worden, in dem Bereich hinter dem Ringfeld, insbesondere umlaufend, Freiräume vorzusehen, in denen sich kein Kolbenmaterial befindet. Dies bringt zwar, gerade wenn der Kolben aus Stahl oder einem vergleichbaren Material besteht, eine gewisse Reduzierung des Gewichtes; gleichzeitig leidet aber die Festigkeit des gesamten Bodens aufgrund des Vorhandenseins der Freiräume. Außerdem stellt es sich bei dem Gießvorgang des Kolbens als aufwendig dar, ein hintergossenes Ringfeld zu realisieren.
Weiterhin ist zwecks Gewichtseinsparung schon vorgesehen worden, den Innenbereich des Kolbens in Richtung des Kolbenbodens weiter zu vergrößern, um aufgrund dieser nachgezogenen Innenkontur des Kolbens Material einzusparen. Dies funktioniert allerdings nur bis zu einer gewissen Mindeststärke des Kolbenbodens, da dieser aufgrund der Verbrennungsdrücke im Brennraum der Brennkraftmaschine extrem belastet ist. Von daher führt zwar die nachgezogene Innenkontur auch zu einer Gewichtsreduzierung, die jedoch im Bezug auf das Gesamtgewicht des Kolbens, ebenso wie bei dem hintergossenen Ringfeld, nicht sonderlich ins Gewicht fällt.

Aus der DE 42 28 216 A1 ist ein Siliziumnitrid-Verbundkolben für eine Brennkraftmaschine bekannt, der in einem oberen Kolbenabschnitt einen einen Brennraum begrenzenden Einsatz aus Siliziumnitrid besitzt, wobei das Kolbenhauptteil aus einem Eisen enthaltenden Metallmaterial als dessen Hauptkomponente gebildet ist und die Gestalt des Siliziumnitrid-Einsatzes, die Hochtemperaturfestigkeit des Siliziumnitridmaterials, aus dem der Siliziumnitrid-Einsatz besteht, der Schmelzpunkt des Eisen enthaltenden Metallmaterials und die Verbundgussbedingungen bestimmte Voraussetzungen erfüllen.

Aus der DE 195 47 226 A1 sollen bei einem faserverstärkten Leichtmetallbauteil im Übergang zwischen dem faserverstärkten Bereich und dem Grundmaterial Spannungserhöhungen vermieden werden. Hierzu weist die Faserpreform an den an das Grundmaterial angrenzenden Flächen eine strukturierte Oberfläche auf.

Die DE 43 28 619 A1 betrifft ein partiell verstärktes Aluminium-Gussbauteil, bestehend aus einem Aluminium-Gussteil und einem von dessen Grundwerkstoff zumindest partiell durch Eingießen umschlossenen sprühkompaktierten Aluminium-Verstärkungsteil.

Die DE 41 23 029 C2 betrifft einen Kolben, bei dem ein Stützkörper aus Blechen wabenartig zusammengeführt ist und das Innere des Kolbenhüllkörpers bis auf den Hohlraum ausgefüllt ist, wobei die Stützwände aus Stegblechen gebildet sind, zwischen denen gewellt verlaufende Versteifungsbleche angeordnet sind, deren jeweilige Biegekanten mit den Stegblechen verbunden sind und die Kolbenbolzenbuchsen beidseitig in den Stützkörper eingelassen sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kolben bereit zu stellen, mit dem die eingangs geschilderten Nachteile wirksam vermieden werden.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Kolbenboden zumindest ein Bereich (kein Hohlraum) vorhanden ist, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden bzw. der gesamte Kolben besteht, wobei der Bereich vollständig von dem Material des Kolbenbodens umgeben ist. Dadurch wird ein Kolbenboden aus zumindest zwei von einander unterschiedlichen Materialien realisiert, wobei das Material, das nicht direkt mit der Lauffläche oder der Verbrennungsfläche des Kolbens in Verbindung steht, deutlich leichter ist als das umgebende Material. Damit wird die Festigkeit (hohe Formstabilität und hohe Steifigkeit) und Belastbarkeit des Kolbens beibehalten und gleichzeitig eine deutliche Gewichtsreduzierung erzielt, da die Kräfteverteilungen, wie sie bei einem Kolben aus einem einzigen Material erfolgt, beibehalten werden können. In besonders vorteilhafter Weise sind die Bereiche derart im Kolbenboden angeordnet, dass die Festigkeit des Kolbenbodens zumindest weitestgehend erhalten bleibt. Dabei sollte angestrebt werden, dass die Bereiche aus dem Material geringerer Dichte in Richtung Verbrennungsbereich und Laufbereich des Kolbens nicht frei liegen und in einer gewissen Mindeststärke von dem gesamten Kolbenmaterial umgeben sind. In Richtung des Innenbereiches können diese Bereiche auch von Kolbenmaterial umgeben sein oder sogar frei liegen, wodurch eine weitere Gewichtsreduzierung erzielt wird. Dabei können der Bereich oder die Bereiche, die aus dem Material mit einem geringeren spezifischen Gewicht bestehen, individuell den geometrischen Verhältnissen des Kolbens angepasst werden, so dass nach wie vor die erforderliche Freiheit bei der Konstruktion des Kolbens gegeben ist.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Material des zumindest einen Bereiches Aluminium oder ein Aluminiumschaum, wobei insbesondere bei einem aus Stahl bestehenden Kolben eine deutliche Gewichtsreduzierung erzielbar ist. Gerade der Aluminiumschaum hat bei äußerst geringem spezifischem Gewicht, im Vergleich zu Stahl, den außerordentlichen Vorteil, dass deutlich Gewicht reduziert wird und gleichzeitig die Festigkeit im Kolbenboden erhalten bleibt. In Weiterbildung der Erfindung wird der zumindest eine Bereich durch zumindest ein separates Bauteil gebildet, wobei dieses separate Bauteil vor dem Gießen des Kolbens in eine Gießform einbringbar ist. So kann beispielsweise ein aus Aluminium oder Aluminiumschaum bestehendes separates Bauteil, analog zu einem Salzkern, in der Gießform des Kolbens angeordnet und beim anschließenden Gießvorgang mit Gießschmelze (z. B. Stahl) umgossen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das separate Bauteil in dem Kolben nach dem Gießen verbleiben kann und nicht, wie etwa ein Salzkern, nach Einbringung von Bohrungen ausgespült werden muss. Denkbar ist aber auch, zunächst beim Gießen einen Salz- oder Sandkern einzusetzen, der nach dem Gießen ausgespült wird und einen Hohlraum bildet. In diesen Hohlraum wird dann anschließend durch die Ausspülöffnungen das Material geringerer Dichte eingebracht.

Weitere Vorteile der Bereiche mit geringerem spezifischem Gewicht gegenüber dem Kolbenmaterial ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen, die in Verbindung der folgenden Figurenbeschreibung erläutert werden.

Ein beispielhaft konstruierter Kolben, bei dem die Erfindung realisiert ist und auf den die Erfindung nicht beschränkt ist, ist im folgenden beschrieben und anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
1/2 einen erfindungsgemäßen Kolben im Schnitt,
3 ein separates Bauteil (Eingußkörper) vor dem Eingießen,
4 Ausnehmungen zur Lagefixierung des Eingußkörpers,
5 einen "aufgeschnittenen" Kolben.
1 und 2 zeigen einen einteiligen Kolben für eine Brennkraftmaschine, wobei jedoch die Erfindung bei einem mehrteiligen Kolben, insbesondere bei einem Pendelschaftkolben ebenso anwendbar ist. Der Kolben 1 besteht in an sich bekannter Weise aus einem Kolbenboden 2, der in Richtung des Verbrennungsraumes gerichtet ist, mit einem radial umlaufenden Ringfeld 3. Weiterhin vorhanden sind an dem Kolbenboden 2 (Kolbenkopf) angehängte Kolbenschäfte 4, die mit Bolzenbohrungen 5 versehen sind. Erfindungsgemäß ist (sind) zumindest teilweise radial umlaufend oder vollständig radial umlaufend ein Bereich 6 (oder mehrere Bereiche 6) vorhanden, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden 2 besteht. Die Gestaltung dieser Bereiche 6 richtet sich insbesondere nach den geometrischen Verhältnissen des Kolbens und berücksichtigt Parameter, wie Höhe des Kolbenbodens, Innenkontur des Kolbens 1 und auch, ob eine Brennraummulde vorhanden ist oder nicht. Die Form, insbesondere der Querschnitt des Bereiches 6 ist in seiner Gesamtheit gleich oder in Teilbereichen unterschiedlich, um insbesondere auf die geometrische Form einer Brennraummulde Rücksicht zu nehmen.
In 3 ist ein separates Bauteil 7 (Eingußkörper) gezeigt, dessen geometrische Ausgestaltung lediglich beispielhaft und zumindest teilweise radial umlaufend ist. Eine bevorzugte Anwendung ist darin zu sehen, dass das separate Bauteil 7 als einstückiger aus Aluminiumschaum bestehender Eingußkörper vorgefertigt wird. Ein solcher Eingußkörper kann dann, ähnlich einem Sandkern, in eine nicht dargestellte Gießform für den Kolben 1 eingesetzt werden. Hierzu ist in 4 beispielhaft dargestellt, dass das separate Bauteil 7 Ausnehmungen 8 aufweist, mit dem dieses auf Stifte, die aus dem Gießkern herausragen, aufgesteckt werden kann. Alternativ dazu ist es denkbar, dass das separate Bauteil 7 seinerseits solche Stifte oder dergleichen (wie beispielsweise Stege) aufweist, mit dem der Eingußkörper auf den Gießkern aufgesteckt werden kann. Darüber hinaus sind andere Möglichkeiten zur Einbringung des Eingußkörpers in die Gießform nicht ausgeschlossen. Dabei ist lediglich sicher zu stellen, dass nach dem Schließen der Gießform und dem Eingießen der Gießschmelze der Eingußkörper (separates Bauteil 7) seine Lage beibehält.
5 zeigt einen „aufgeschnittenen" Kolben 1, bei dem die Lage des im Kolben 1 verbleibenden Eingußkörpers 7 erkennbar ist.

Claims

Kolben (1), insbesondere ein Kolben für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kolbenboden (2), einem Ringfeld (3) und Kolbenschäften (4) mit Bolzenbohrungen (5), dadurch gekennzeichnet, dass im Kolbenboden (2) zumindest ein Bereich (6) vorhanden ist, der aus einem Material besteht, dessen spezifisches Gewicht kleiner ist als das Material, aus dem der Kolbenboden (2) besteht, wobei der Bereich vollständig von dem Material des Kolbenbodens (2) umgeben ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zumindest einen Bereiches (6) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zumindest einen Bereiches (6) ein Aluminiumschaum ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Bereich (6) durch zumindest ein separates Bauteil (7) gebildet wird, welches vor dem Gießen des Kolbens (1) in eine Gießform einbringbar ist.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (6) derart im Kolbenboden (2) angeordnet sind, dass die Festigkeit des Kolbenbodens (2) zumindest weitestgehend erhalten bleibt.
Kolben (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (6) nach dem Gießen des Kolbens (1) als Hohlraum ausgebildet ist und anschließend mit dem Material geringerer Dichte ausgefüllt wird.