DE1037201B - Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen - Google Patents
Leichtmetallkolben fuer BrennkraftmaschinenInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/12—Details
- F16J9/22—Rings for preventing wear of grooves or like seatings
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Description
DEUTSCHES
8!8LIOTHEK
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
für Brennkraftmaschinen
Anmelder:
Mahle Komm.-Ges.,
Stuttgart-Bad Cannstatt, Pragstr. 26-46
Stuttgart-Bad Cannstatt, Pragstr. 26-46
Rudolph Daub, West Caldwell, N. J. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
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
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
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 (2)
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.
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
© 809 598/172 8.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEM28461A DE1037201B (de) | 1955-10-13 | 1955-10-13 | Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEM28461A DE1037201B (de) | 1955-10-13 | 1955-10-13 | Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1037201B true DE1037201B (de) | 1958-08-21 |
Family
ID=7300411
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEM28461A Pending DE1037201B (de) | 1955-10-13 | 1955-10-13 | Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1037201B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102020210036A1 (de) | 2020-08-07 | 2022-02-10 | Federal-Mogul Nürnberg GmbH | Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben für einen Verbrennungsmotor |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR455539A (fr) * | 1913-03-13 | 1913-08-02 | Claudius Givaudan | Piston extra léger pour machines à grande vitesse |
GB548400A (en) * | 1941-06-09 | 1942-10-08 | Hepworth & Grandage Ltd | Improvements in or relating to pistons for internal combustion engines |
DE763773C (de) * | 1942-10-13 | 1953-06-08 | Aluminiumwerke Nuernberg G M B | Leichtmetallkolben fuer Brennkraftmaschinen mit Ringtraeger |
US2685729A (en) * | 1951-05-10 | 1954-08-10 | Frank A Bower | Method of making composite piston structures |
-
1955
- 1955-10-13 DE DEM28461A patent/DE1037201B/de active Pending
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DE102020210036B4 (de) | 2020-08-07 | 2022-06-09 | Federal-Mogul Nürnberg GmbH | Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für einen Verbrennungsmotor und Kolben für einen Verbrennungsmotor |
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