DE1034922B - Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit Laufflächenschutzschichten aus Werkstoffen mit guten Notlaufeigenschaften, z. B. Kupfer-, Zinn- oder Bleilegierungen oder aus Kunstharz-Graphit-Mischungen, welche in Vertiefungen des Kolbenschaftes eingebettet sind.

Derartige Schutzschichten sollen dazu dienen, um bei extremen Betriebszuständen, z. B. bei vorübergehendem Schmierstoff mangel, wie er insbesondere bei Kaltstart vorkommt, oder an örtlich überhitzten und daher zum Drücken neigenden Stellen eine gewisse Notschmierung zu gewährleisten. Außerdem sollen sie beim Einlaufen eine raschere Anpassung des Kolbens an die Zylinderlauffläche ermöglichen.

Um diese Ziele zu erreichen, ist bereits vorgeschlagen worden, alle zum Tragen kommenden. Laufflächen eines Leichtmetallkolbens aus Werkstoffen der eingangs erwähnten Art zu bilden, und zwar entweder durch Überziehen der ganzen Kolbenmantelfläche mit solchen Werkstoffen, oder durch Anordnung von aus ihnen gebildeten Tragringen, welche die übrige Mantelfläche überragen.

Durch die erstgenannte Methode ist zwar die ganze Manteltragfläche gleichmäßig geschützt, der Schutz hält aber nicht lange Zeit vor, weil die ihrer Natur nach weichen Belagwerkstoffe verhältnismäßig rasch abgerieben werden. Diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, daß man die Schichtstärke von vornherein entsprechend groß wählt, verbietet sich deshalb, weil sonst bei fortschreitendem Verschleiß das Laufspiel zwischen Kolben und Zylinderwand unzulässig groß würde.

Den nach der zweitgenannten Methode verwendeten Tragringen oder Laufbüchsen, welche nur einen Teil der Kolbenmantelflächen bedecken, haftet dieser Mangel sogar in verstärktem Maße an, weil bei ihnen der Verschleiß infolge Verkleinerung der zum Tragen kommenden Flächen und damit verbundener Vergrößerung der spezifischen Flächenbelastung noch rascher vor sich geht. Außerdem ist es bei dieser Bauweise nachteilig, daß die bisher verwendeten verhältnismäßig starkwandigen Tragringe oder Laufbüchsen auch starkwandige Kolbenschäfte und damit verhältnismäßig große Kolbengewichte bedingen. Dazu kommt noch, daß es bei Verwendung massiver Tragringe nicht leicht ist, diese fest mit dem Kolbenwerkstoff zu verbinden und daß solche Ringe oder Büchsen daher immer dazu neigen, sich im Betrieb zu lockern. Soweit sie aus graphitähnlichen Massen bestehen, besteht außerdem die Gefahr, daß sie zerbrechen.

Es ist ferner bereits bekannt, zum Zweck der Verbesserung der Abdichtung und der Schmierung der Laufflächen die Schaf te von Leichtmetallkolben mit quer zur Kolbenlängsachse gerichteten ring- oder schrau-Leichtmetallkolben
für Brennkraftmaschinen

Anmelder:

Hermann Mahle,
Stuttgart, Leibnizstr. 73,
und Dipl.-Ing. Dr.-Ing.e.h. Ernst Mahle,
Stuttgart, Rappweg 3

Hermann Mahle

und Dipl.-Ing. Dr.-Ing. e. h. Ernst Mahle, Stuttgart,
sind als Erfinder genannt worden

bengangartig verlaufenden, sich gegebenenfalls kreuzenden Nuten von geringer Tiefe und Breite zu versehen, in denen sich Schmieröl oder andere schmierend wirkende Materialien durch Kapillarwirkung halten können. Dabei ist jedoch die Menge des gespeicherten Schmiermittels infolge des kleinen Volumens der Nuten gering, und infolgedessen ist eine Notschimierung nur über sehr kurze Zeiträume gewährleistet. Außerdem genügt die durch die schmalen Nuten erzielte Unterteilung der Tragflächen nicht, um den Einlaufvorgang zu beschleunigen.

Außerdem ist es bekannt, Kolbenschäfte mit einer Anzahl breiter und tiefer Rillen zu versehen und diese mit einer pastosen Mischung aus einem Schmiermittel und einem hochhifzebeständigen Werkstoff zu füllen, die nicht nur als Schmiermittel, sondern ausdrücklich auch als Dichtmittel wirken soll, das sich über die ganze Kolbenwand ausbreitet. Es handelt sich hier also um eine Art Überzug des ganzen Kolbenschaftes, der sich zwar bei Abrieb aus dem in den Rillen gespeicherten Vorrat bis zu einem gewissen Grad ergänzen kann, aber über längere Zeit doch nicht vorhält, und der außerdem — weil er den ganzen Kolbenschaft bedeckt — den Wärmeübergang von diesem zur Zylinderwand in unerwünschter Weise hemmt.

Zu einem anderen Zweck, nämlich um den Verschleiß von gleitender Reibung ausgesetzten Laufflächen besonders von Zylinderlaufflächen· zu vermindern, hat man auch schön band- oder streifenartige Einlagen oder Beläge aus härteren Werkstoffen, z. B. aus Nitrierstahl oder aus Chrom, vorgesehen, deren tragende Flächen mit der übrigen Fläche des betreffenden Maschinenteiles bündig sind. Es ist einleuchtend, daß dadurch die nicht bewehrten Flächenteile iiiit-

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geschützt sind, weil der auf den betreffenden Flächen reibende Gegenlaufteil in jedem Falle auf den härteren Einlagen eine Stütze findet und daher auch die weicheren Flächenteile nicht stärker abreiben kann als die Einlagen. Die eingangs erwähnten Ziele werden aber mit solchen Einlagen nicht erreicht.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß bei ähnlicher Anordnung und Ausbildung von band- oder streifenartigen Zonen aus weichen Werkstoffen mit guten Notlaufeigenschaften in den Schaftflächen von Leichtmetallkolben nicht nur der vorzeitige Abrieb dieser weicheren Zonen verhindert, sondern unerwarteterweise auch ein wirksamer Schutz der frei gebliebenen und auf gleichem Niveau liegenden Leichtmetallzonen im Sinne der eingangs erwähnten Aufgabenstellung ermöglicht werden kann.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei einem Leichtmetallkolben der eingangs erwähnten Art in an sich bekannter Weise Vertiefungen in Form von quer zur Kolbenlängsachse gerichteten, ring- oder ao schraubengangartig verlaufenden, sich gegebenenfalls kreuzenden Nuten mindestens in den dem Kolbenkopf benachbarten Mantelteilen und im Bereich von den Mantel versteifenden Rippen so anzuordnen, daß durch sie die tragenden Leichtmetallflächen des Mantels mehrfach unterbrochen werden, dabei aber diese Nuten so zu bemessen, daß ihre radiale Tiefe ein Hundertstel des Kolbendurchmessers nicht überschreitet, während ihre axiale Breite ein Mehrfaches davon ausmacht, und ferner diese Vertiefungen nur bis zur Höhe der zwischen ihnen stehengebliebenen Leichtmetallteile mit guten Notlaufeigenschaften und eine geringere Härte als der Kolbenwerkstoff aufweisenden Werkstoffen auszufüllen, so daß eine abwechselnd aus Leichtmetallzonen und aus dem Schutzwerkstoff bestehenden Zonen gebildete unabgesetzte Lauffläche entsteht.

Daß hierbei die mit dem Schutzwerkstoff bedeckten Zonen in genau derselben Weise geschützt sind wie die Laufflächen ganz mit Zinn, Graphit od. dgl. überzögener Kolbenschäfte, ist selbstverständlich. Daß auch die danebenliegenden, nicht von einem Werkstoff mit guten Notlaufeigenschaften bedeckten Zonen geschützt sind, kann man sich so erklären, daß bei örtlicher Erhitzung einer in einer nicht unmittelbar geschützten Leichtmetallzone liegenden Stelle ein Teil des sich nunmehr stärker dehnenden und infolgedessen gegen die Zylinderlaufbahn drückenden Leichtmetalls die Möglichkeit hat, in die benachbarten Vertiefungen auszuweichen, wobei dort ein Teil des weicheren Füll-Werkstoffes heraustritt, sich über die gefährdete Stelle verteilt und die »Notschmierung« übernimmt. Es ist einleuchtend, daß hierbei ein Verbrauch des Füllstoffes, der ja im übrigen gegen Abrieb durch die benachbarten Leichtmetallzonen geschützt ist, nur in wirklichen Notfällen eintritt und daß daher eine Schutzwirkung auch nach langen Laufzeiten noch gegeben ist.

Natürlich tritt auch bei Kolben mit eingefügten und über die übrige Mantelfläche hinausragenden Tragringen oder Laufbüchsen nach einer gewissen Laufzeit, nämlich wenn die vorstehenden Ringe oder Buchsenteile abgerieben sind, ebenfalls der Zustand ein, daß der Kolbenschaft eine abwechselnd aus Leichtmetallzonen und aus dem Ring- oder Buchsenwerkstoff gebildete unabgesetzte Lauffläche aufweist. Dann ist aber auch das Laufspiel zwischen dem Kolben und dem zugehörigen Zylinder schon so vergrößert, daß man keinen gebrauchsfähigen Kolben mehr vor sich hat.

Ähnlich verhält es sich mit Kolben, deren Lauffläche zunächst durch Ätzen mit mehr oder weniger feinen Poren versehen wurde und auf die dann eine zusammenhängende Schutzschicht aus Zinn, Graphit od. dgl. aufgebracht ist. Auch hier kann eine aus nebeneinanderliegenden Zonen von verschiedener Beschaffenheit gebildete Lauffläche erst zum Vorschein kommen, wenn bereits ein Verschleiß eingetreten ist, den zu verhindern eines der Ziele der Erfindung darstellt. Hinzu kommt in diesem Falle noch, daß die nach dem Freilegen der Leichtmetallfläche verbliebenen, mit dem Schutzwerkstoff ausgefüllten Poren einen viel zu geringen Raum einnehmen, um dem Leichtmetall notfalls ein Ausweichen zu ermöglichen. In dieser Hinsicht ist beim Erfindungsgegenstand die band- oder streifenartige Anordnung, verbunden mit einer etwa dem Einbauspiel entsprechenden Tiefe der zur Aufnahme des Schutzwerkstoffes bestimmten Hohlräume wesentlich.

Im übrigen ist es zweckmäßig, die ring-, schraubengang- oder netzförmig verlaufenden, zur Aufnahme des selbstschmierenden Materials bestimmten Vertiefungen in solcher Anzahl und in solchen Abmessungen vorzusehen, daß der von ihnen eingenommene Flächenanteil des Kolbenmantels mehr als ein Drittel der gesamten Mantelfläche einnimmt.

Dabei sollte man die zwischen ihnen liegenden Leichtmetalloberflächenteile um so kleiner halten, je gefährdeter die betreffende Mantelzone ist. Es empfiehlt sich daher, die Vertiefungen in den dem Kolbenkopf benachbarten Mantelteil und in den Teilen des Mantels, weiche im Bereich von mit dem Kolbenkopf in Verbindung stehenden Rippen liegen, dichter nebeneinander anzuordnen als im Bereich des offenen Schaftendes und dünnwandiger elastischer Mantelteile.

Die radiale Tiefe der Nuten kann derart variiert werden, daß sie etwa dem Einbauspiel zwischen der Oberfläche des Kolbenschaftes und der Zylinderwand an der entsprechenden Stelle entspricht.

Das Einbringen der selbstschmierenden Werkstoffe in die Vertiefungen kann nach beliebigen bekannten Verfahren erfolgen, z. B. durch Aufspritzen.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Der Mantel 1 des in Fig. 1 gezeigten Leichtmetallkolbens enthält eine schraubengangartig verlaufende Vertiefung, welche mit einem vorzugsweise durch Spritzen aufgebrachten metallischen oder nichtmetallischen Belag 2 ausgefüllt ist. Beim Beispiel nach Fig. 2 sind eine Reihe ringförmiger, mit einem selbstschmierenden Material 2 ausgefüllter Vertiefungen so angeordnet, daß diese im Bereich des Kolbenkopfes näher beieinander liegen als im Bereich des offenen Schaftes.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit Laufflächenschutzschichten aus Werkstoffen mit guten Notlaufeigenschaften, z. B. aus Kupfer-, Zinn- oder Bleilegierungen oder aus Kunstharz-Graphit-Mischungen, welche in Vertiefungen des Kolbenschaftes eingebettet sind, gekennzeichnet durch die Kombination der Merkmale, daß Vertiefungen in Form von quer zur Kolbenlängsachse gerichteten ring- oder schraubengangartig verlaufenden, sich gegebenenfalls kreuzenden Nuten mindestens in den dem Kolbenkopf benachbarten Mantelteilen und im Bereich von den Mantel versteifenden Rippen so angeordnet sind, daß durch sie die tragenden Leichtmetallflächen des Mantels

mehrfach unterbrochen werden, daß ferner die radiale Tiefe dieser Nuten ein Hundertstel des Kolbendurchmessers nicht übersteigt, während ihre axiale Breite ein Mehrfaches davon ausmacht, und daß schließlich diese Nuten nur bis zur Höhe der zwischen ihnen stehengebliebenen Leichtmetallteile mit gute Notlaufeigenschaften und eine geringere Härte als der Kolbenwerkstoff aufweisenden Werkstoffen ausgefüllt sind.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Nuten eingenommene Flächenteil des Kolbenmantels mehr als ein Drittel der gesamten Mantelfläche beträgt.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten in den dem Kolbenkopf benachbarten Mantelteilen und in denjenigen Teilen des Mantels, welche im Bereich von

mit dem Kolbenkopf in Verbindung stehenden Rippen liegen, dichter nebeneinander angeordnet sind als im Bereich des offenen Schaftendes und dünnwandiger elastischer Mantelteile.

4. Leichtmetallkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Tiefe der einzelnen Nuten etwa dem Spiel zwischen der Oberfläche des Kolbenschaftes und der Zylinderwand an der entsprechenden Stelle entspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 680 384, 718 866;
französische Patentschrift Nr. 854 252;
britische Patentschrift Nr. 512 134;
USA.-Patentschriften Nr. 1 373 714, 1 549 486,
951 959, 1 955 292, 2 043 424, 2 292 662.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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