DE1037201B

DE1037201B - Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE1037201B
Application number: DEM28461A
Authority: DE
Inventors: Rudolph Daub
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1955-10-13
Filing date: 1955-10-13
Publication date: 1958-08-21

Description

DEUTSCHES

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DSSKUTSCHtN

PATeMTAMTES

Die im Kolbenbau verwendeten Leichtmetalle verlieren bei höheren Temperaturen einen Teil ihrer Härte. Davon sind in hochbeanspruchten Brennkraftmaschinen insbesondere die Ringzonen der eingebauten Leichtmetallkolben betroffen. Um diesem Mangel abzuhelfen, ist es bekannt, Ringträger aus warmfesteren Metallen, insbesondere aus Stahl, vorzusehen.

Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, solche Ringträger betriebssicher mit dem Leichtmetallkolbenkörper zu verbinden. Eine davon besteht darin, als Ringträgerwerkstoff eine Eisen-Nickel-Legierung zu verwenden, deren Wärmedehnungsbeiwert demjenigen des Kolbenwerkstoffes etwa gleich ist. Solche Eisen-Nickel-Legierungen sind jedoch teuer, und ihre Anwendung ist daher ans wirtschaftlichen Gründen nicht immer erwünscht. Es ist deshalb auch schon versucht worden, mit Ringnutenbewehrungen aus billigeren Werkstoffen mit kleinerem Wärmedehnungsbeiwert auszukommen, dabei diese jedoch so zu gestalten, daß sie trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnung ihres Werkstoffes den betriebsbedingten Dehnungsund Schwindbewegungen des Leichtmetalls, in das sie eingebettet sind, zu folgen vermögen. An Stelle massiver Ringträger finden hierbei solche Verwendung, die nur Teile der Ringnutenflanken schützen.

Die Erfindung betrifft einen für Brennkraftmaschinen bestimmten Leichtmetallkolben mit teilweiser Bewehrung der Ringnutenflanken durch eingegossene flache Einlagen aus einem Werkstoff, der einen kleineren Wärmedehnungsbeiwert und eine größere Härte als der Kolbenwerkstoff aufweist, bei welchem die Einlagen im Bereich der Ringnutenflanken voneinander getrennte Segmentteile darstellen und bei welchem der einzelne Segmentteil jeweils nur einer der beiden Flanken der gleichen Ringnut als Bewehrungselement zugeordnet ist.

Es sind bereits derartige Kolben bekannt, bei denen in den Kolbenwerkstoff eingebettete Einlagensegmente nicht nur im Bereich der Ringnutenflanken, sondern vollständig voneinander getrennt sind. Diese Bauart bietet den Vorteil, daß man das Auftreten beträchtlicher Spannungen an den Einbettungsstellen der Einlagen dem verschiedenen Wärmedehnungsverhalten der Werkstoffe durch entsprechend kleine Dimensionierung der Einlagen vermeiden kann. Dabei muß aber der Nachteil in Kauf genommen werden, daß durch die Verwendung einer größeren Anzahl von kleinen einzelnen Segmenten die Gefährdung des Motors durch mangelhaft mit dem Kolbenkörper verbundene Teile größer wird, weil durch das LoseweTden auch nur eines einzigen Segmentstückchens unter Umständen der ganze Motor zerstört werden kann.

Es sind zwar Mittel bekannt, um insbesondere aus Leichtmetallkolben
für Brennkraftmaschinen

Anmelder:

Mahle Komm.-Ges.,
Stuttgart-Bad Cannstatt, Pragstr. 26-46

Rudolph Daub, West Caldwell, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Stahl bestehende Einlagen fest mit einem Leichtmetallkörper, ζ. B. mit einem Kolben, zu verbinden, und zwar durch metallische Bindung und/oder durch mechanische Verankerung. Beide Verfahren ergeben aber nur dann befriedigende Ergebnisse, wenn exakte Arbeits- und insbesondere Gießbedingungen eingehalten werden. Es genügen schon in der Praxis nicht immer vermeidbare kleine Abweichungen an örtlich begrenzten Stellen des Werkstückes, um zu verursachen, daß ein dort eingefügtes Einlagestück nicht fest genug im Leichtmetallverband verankert ist und daher schon bei der mechanischen Bearbeitung oder auch erst eine mehr oder weniger lange Zeit nach der Inbetriebnahme des Kolbens herausfällt.

Es ist ferner auch bereits bekannt, eine teilweise Bewehrung der Ringnutenflanken von Leichtmetallkolben durch Einlagen zu bewirken, welche aus in sich geschlossenen Gebilden bestehen, und zwar in Form von mänanderartigen flachen Ringscheiben mit abwechselnd den äußeren und den inneren Umfang anschneidenden, radial gerichteten Ausnehmungen oder in Form von hochkant, d. h. koaxial zum Kolben orientierten wellen- oder zickzackförmig verlaufenden geschlossenen Stahlbändern, oder in Form von vollständig in den Kolbenkörper eingebetteten koaxial zum Kolben angeordneten Ringen, von denen radial orientierte, die Nutenflanken bewehrende Segmente abgewinkelt sind. Soweit man bei den beiden erstgenannten Bauarten die radial verlaufenden Zonen der Einlagen als Segmentteile bezeichnen kann, unterscheiden sich diese von den Segmentteilen der Bauart, auf welche sich die Erfindung bezieht, dadurch, daß

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sie im Bereich der Ringnutenflanken nicht voneinan- durch die Segmentteile unterbrochen ist. Da diese der getrennt, sondern paarweise miteinander verbun- Segmentteile jedoch axial niedrig sind, macht sich der den sind. Die zweitgenannte Bauart weist außerdem Einfluß oder ober- und unterhalb derselben vorhannicht das im Hinblick auf das Verhältnis des Werk- denen, unterbrochenen Leichtmetallschichten geltend, Stoffaufwandes zur Größe der geschützten Flächen 5 die beim Aufschrumpfen einer elastischen Dehnung beachtenswerte Merkmal auf, daß jedes Segmentteil unterliegen.

jeweils nur einer der beiden Flanken der gleichen Bei Erwärmung auf Betriebstemperatur bildet sich

Ringnut als Bewehrungselement zugeordnet ist. Die die elastische Dehnung wieder teilweise zurück und an dritter Stelle genannte Bauart betrifft die vorlie- vermindert entsprechend das natürliche Wärmegende Erfindung deshalb nicht, weil bei ihr nur die 10 dehnungsbestreben der den Einlagen unmittelbar beSegmente, aber nicht die sie verbindenden Ringteile nachbarten Leichtmetallteile. Umgekehrt bauen sich flach sind. " auch in den Stegen die beim Schrumpfvorgang auf-

Die Erfindung besteht nun darin, daß bei einem genommenen Druckspannungen ab, wobei die dadurch Leichtmetallkolben der eingangs erwähnten Art die bedingte Rückfederung dieser Teile in Richtung ihrer Segmentteile der im ganzen flachen Einlagen aus- 15 natürlichen Wärmeausdehnung geht und sich zu dieser schließlich im Bereich ihrer radial innenliegenden summiert. Dadurch tritt die beschriebene Angleichung Enden durch Stege miteinander verbunden sind, die des tatsächlichen Wärmedehnungsverhaltens ein, und in derselben Querschnittsebene liegen und dieselbe zwar um so vollständiger, je niedriger die Segmentaxiale Höhe aufweisen wie die Segmentteile, mit teile sind. Ferner ist das Merkmal, daß die Stege in deren inneren Enden zusammen sie einen ge- 20 derselben Querschnittsebene liegen und dieselbe axiale schlossenen Ring von kleinerem Durchmesser als dem Höhe aufweisen sollen wie die Segmentteile, deshalb des Nutengrundes bilden und deren dem Kolben- erfindungswesentlich, weil nur so verhindert werden mantel zugewandte Stirnflächen unter dem Druck kann, daß die unter dem Einfluß von Schrumpfkräften einer beim Erkalten des gegossenen Kolbens sich auf stehenden Stege auf die Segmente Drehmomente überdiese Flächen aufschrumpfenden Leichtmetallschicht ₂₅ tragen, welche Anlaß zu deren Lösung aus dem Leichtstehen, metallkolbenkörper geben könnten.

Durch diese Maßnahmen wird eine doppelte Wir- Um die angestrebte Wirkung möglichst ungeschmä-

kung erzielt, und ausschließlich auf diese doppelte lert zu erreichen, empfiehlt es sich, einen möglichst Wirkung kommt es bei der Erfindung an: Durch die großen Teil des Einlagenwerkstoffes dem Druck des die Segmentteile miteinander verbindenden Stege ₃₀ aufschrumpfenden Leichtmetalls auszusetzen. Die wird nicht nur in an sich bekannter Weise verhin- Stirnflächen der Stege, gegen die sich das aufschrumpdert, daß einzelne Segmentteile sich aus dem Kolben- fende Leichtmetall anlegt, sollen daher zusammenverband lösen können, solange die anderen und/oder genommen eine Länge aufweisen, die mindestens einen die Stege sich nicht ebenfalls gelöst haben, sondern Bogen von 180° entspricht.

durch die Anordnung der Stege derart, daß deren ₃₅ Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstan-Stirnflächen wie auch die benachbarten Zonen des des, insbesondere bezüglich der Formgebung der Ein-Leichtmetallkolbenkörpers einer Schrumpfspannung lageteile, können der Beschreibung und der Zeichnung ausgesetzt sind, wird ferner erreicht, daß das wirk- entnommen werden. Dabei zeigt
liehe Dehnungsverhalten der Einlagen und des Kolben- Fig. 1 teils im Längsschnitt und teils in Ansicht

Werkstoffes im Bereich der Einlagen einander ange- ₄₀ den Kopfteil eines Leichtmetallkolbens, dessen erste glichen wird, obwohl die Wärmedehnungsbeiwerte der Ringnut in ihrer oberen und unteren Flanke durch Materialien verschieden sind. erfindungsgemäß eingegossene Einlagen bewehrt ist,

Um das Zustandekommen dieser doppelten Wir- Fig. 2 einen Querschnitt durch diesen Kolben längs

kung sicherzustellen, sind sämtliche Merkmale der der Linie II-II in Fig. 1,

beschriebenen Kombination erfindungswichtig. Ins- 45 Fig. 3 schematisch die Herstellung eines Einlagebesondere ist es für das Zustandekommen der ange- ringes aus einem gestanzten Streifen, und
strebten Vergleichmäßigung des Wärmedehnungs- Fig. 4 stellt einen Schnitt nach der Linie IV-IV in

Verhaltens unter anderem wichtig, daß jeder der in Fig. 3 dar.

den Bereich der Ringflanken hineinragenden Segment- Beim Beispiel nach den Fig. 1 und 2 ist im Bereich

teile nur einen Teil einer einzigen Ringnutenflanke 50 der oberen und unteren Flanke der Ringnut 1 des KoI-bildet, womit sichergestellt ist, daß die axiale Höhe bens 2 je eine aus Stahlblech gebildete flache Einlage der Segmentteile kleiner ist als der axiale Abstand eingegossen, die aus in gleichmäßigen Abständen vonbenachbarter Ringnutenflanken. Die Bedeutung dieses einander angeordneten Segmenten 3 und aus diese Merkmals beruht darauf, daß eine vollkommene An- miteinander verbindenden, axial gleich hohen und gleichung des Wärmeausdehnungsverhaltens zweier 55 zwischen den gleichen Querschnittsebenen liegenden Werkstoffe nur dann eintritt, wenn diese die Form Stegen 4 besteht. Die Stege 4 bilden zusammen mit von aufeinandergeschrumpften Ringen aufweisen, den ihnen unmittelbar benachbarten inneren Zonen der welche sich bekanntlich bei Erwärmung auf Tetnpe- Segmente 3 einen geschlossenen Ring, dessen Außenraturen, bei denen die in kaltem Zustand vorhanden durchmesser kleiner ist als der Nutengrunddurchgewesene Schrumpfspannung nicht völlig aufgehoben 60 messer und der im Vergleich zur Stärke der auf seiner wird, sich grundsätzlich anders verhalten, als es dem Außenfläche 5 aufliegenden Leichtmetallschicht ver-Wärmedehnungsverhalten der einzelnen Werkstoffe hältnismäßig dünnwandig ist. Infolgedessen werden entsprechen würde, weil diesem die Rückbildung von die beim Erkalten des Kolbens nach dem Gießen aufelastischen Verformungen überlagert, welche die tretenden Schrumpfspannungen im wesentlichen eine Ringe beim Aufschrumpfen erlitten hatten. Im vor- 65 Deformation der Stege 4 bewirken. Gemäß Fig. 2 ist liegenden Falle ist nun aber im Bereich der Segment- angenommen, daß der durch die Stege 4 gebildete teile ein geschlossener Leichtmetallring, der beim Ring dabei rund bleibt, d.h. daß er im wesentlichen Erkalten nach dem Guß auf die Stirnflächen der Stege nur eine elastische Stauchung unter Verkleinerung aufschrumpfen könnte, nicht vorhanden, weil die den des Ringdurchmessers erfährt. Bei sehr dünnwandi-Stegen unmittelbar aufliegende Leichtmetallschicht 70 gen Stegen 4 kann es sein, daß abweichend davon die

einzelnen Stege gewissermaßen ausknicken, so daß der durch sie gebildete Ring beim Erkalten nach dem Guß eine mehr vieleckige Form annimmt. Jedenfalls liegt die Verformung innerhalb des elastischen Bereiches und geht daher beim Wiedererwärmen entsprechend der Abnahme des Schrumpfdruckes wieder zurück. Dabei folgt dann der Stegwerkstoff im wesentlichen der Wärmedehnung des aufliegenden Leichtmetalls, so daß eine Lockerung durch unterschiedliches Dehnungsverhalten vermieden wird. Damit sind die Segmente 3 gegen Lockerung durch in radialer Richtung angreifende Kräfte hinlänglich gesichert. Zur zusätzlichen Sicherung gegen axial wirkende Kräfte sind die Seitenflächen 6 der Segmente in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise abgeschrägt, so daß eine schwalbenschwanzartige Verankerung bewirkt ist. Abweichend von dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel können die segmentartigen Einlagestücke 3 und die sie verbindenden Stege 4 natürlich auch anders ausgebildet sein, wenn nur die Bedingung erfüllt ist, daß die Stege sich zu einem geschlossenen Ring ergänzen und Stirnflächen aufweisen, auf die der Kolbenwerkstoff aufschrumpfen kann. Beispielsweise können nach Fig. 4 statt aus einer vollen Blechtafel gestanzten Ringen auch solche verwendet werden, die aus einem strichpunktiert angedeuteten Streifen so gebogen werden, daß die Stege 4 einen vieleckigen Ring bilden, dessen Enden aneinanderstoßen. Ein derartiger Ring verhält sich in eingegossenem Zustand hinsichtlich der Aufnahme der Strumpfkräfte praktisch genau so wie ein solcher nach Fig. 2. Zur Verankerung der Segmente 3 in axialer Richtung sind gemäß Fig. 3 und 4 in diesen konische Lochungen 7 vorgesehen, in welche Leichtmetall beim Gießen des Kolbens einfließt.

Claims

Patentansprüche:

1. Für Brennkraftmaschinen bestimmter Leichtmetallkolben mit teilweiser Bewehrung der Ringnutenflanken durch eingegossene flache Einlagen aus einem Werkstoff, der einen kleineren Wärmedehnungsbeiwert und eine größere Härte als der Kolbenwerkstoff aufweist, bei welchem die Einlagen im Bereich der Ringnutenflanken voneinander getrennte Segmentteile darstellen und bei welchem der einzelne Segmentteil jeweils nur einer der beiden Flanken der gleichen Ringnut als Bewehrungselement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Segmentteile (3) im Bereich ihrer radial innenliegenden Enden durch Stege (4) miteinander verbunden sind, die in derselben Querschnittsebene liegen und dieselbe axiale Höhe aufweisen wie die Segmentteile, mit deren inneren Enden zusammen sie einen geschlossenen Ring von kleinerem Durchmesser als dem des Nutengrundes bilden, und daß ferner die dem Kolbenmantel zugewandten Stirnflächen (5) der Stege unter dem Druck einer beim Erkalten des gegossenen Kolbens sich auf diese Flächen (5) aufschrumpfenden Leichtmetallschicht stehen.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen der Stege, gegen die sich das aufschrumpfende Leichtmetall anlegt, zusammengenommen eine Länge aufweisen, die mindestens einem Bogen von 180° entspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 763 773;,
französische Patentschrift Nr. 455 539;
britische Patentschrift Nr. 548 400;
USA.-Patentschrift Nr. 2 685 729.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen