DE19833825C1 - Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einem Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring (4) zugeordneten Kolbenringnut (3) mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, läßt sich dadurch eine hohe Standzeit erreichen, daß die Oberfläche wenigstens einer Flanke einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (7) und einem diesen benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (8) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring zugeordneten Kolbenringnut mit gegen Verschleiß geschützten Flanken.

Es ist bekannt (DE 34 05 983 C1), die Ringnutflanken des aus härtbarem Stahl bestehenden Kolbenoberteils zum Zwecke des Verschleißschutzes zu härten. Diese Maßnahme reicht jedoch ab einer bestimmten Höhe des Zünddrucks nicht mehr aus. Die Flankenbelastung nimmt nämlich mit steigendem Zünddruck überproportional zu. Ungünstig sind in diesem Zusammenhang auch die heute erwünschten, niedrigen Schmierraten. Es kommt daher zu einem schnellen Verschleiß der gehärteten Flanken. Dies gilt insbesondere für den Randbereich, wo erfahrungsgemäß die Belastung am größten ist.

Es wurde auch schon versucht, die Widerstandsfähigkeit der Ringnutflanken mittels einer durchgehenden Beschichtung mit Chrom zu erhöhen (DE 17 84 019 U). Chrom ist zwar im unteren Temperaturbereich härter als gehärteter Stahl, verliert jedoch bei hohen Temperaturen seine Verschleißfestigkeit. Mit zunehmendem Zünddruck erhöht sich jedoch die Flächenpressung und Flächenreibung und damit auch die Materialerwärmung. Bei Zünddrücken ab 160 bar aufwärts, wie heute verlangt, bringt daher die durchgehende Chromschicht keine Verbesserungen.

Hiervon ausgehend ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kolben eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass auch bei vergleichsweise hohen Zünddrücken eine hohe Lebensdauer erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfahrungsgemäß dadurch gelöst, dass die Oberfläche wenigstens einer Flanke einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich und einen diesem benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich aufweist.

Im Randbereich treten erfahrungsgemäß die höchste Flächenpressung und damit auch die stärkste Materialerwärmung auf. Dieser Bereich ist daher in vorteilhafter von Chrom, das bei hohen Temperaturen seine Verschleißfestigkeit verliert, freigehalten. Vielmehr befindet sich in diesem Bereich das gehärtete Material, das bei höheren Temperaturen widerstandsfähiger ist als Chrom. Die Chrombewehrung befindet sich weiter innen, wo die Materialerwärmung nicht so stark ist, dass das Chrom seine Widerstandsfähigkeit verliert. Im Betrieb wird zunächst ein durch die hohe Randbelastung bewirkter, anfänglicher Verschleiß des gehärteten Materials im Randbereich zugelassen. Bereits nach Abtragung einer Mikroschicht dieses Materials verschiebt sich die Belastung jedoch in Richtung Nuttiefe, wobei dann das Chrom mehr zum Tragen kommt als vorher. Hierdurch wird sichergestellt, das die anfänglich im Randbereich vorhandene Belastungsspitze abgebaut und dafür die Belastung nach innen verlagert wird, so dass das Integral der Belastungsfläche konstan bleibt. Es ergibt sich dementsprechend in vorteilhafter Weise ein vergleichsweise ausgeglichenes Tragbild, was eine lange Lebensdauer erwarten lässt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So kann im Bereich wenigstens einer Flanke eine über die Flankenbreite durchgehende, durch gehärtetes Material gebildete Härtungszone vorgesehen in die ein vom umfangsseitigen Rand distanziertes, im wesentlichen aus Chrom bestehendes Inlay mit gegenüber der Dicke der Härtungszone kleinerer Dicke eingelassen ist. Dadurch, dass das Chrom-Inlay auf seiner ganzen Breite vom gehärteten Material des benachbarten Randbereichs unterfasst ist, ist in vorteilhafter Weise einer Stufen- bzw. Rißbildung und damit einem Abplatzen bzw. Ausbrechen des Inlays wirksam vorgebeugt.

Vorteilhaft kann das Inlay als galvanisch hergestellte Füllung einer im Bereich der Härtungszone vorgesehenen Aufnahmetasche ausgebildet sein. Dies ergibt eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung sowie eine gute Haftung des Chroms.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass die Breite des Randbereichs im Bereich zwischen 15% bis 20% der Flankenbreite liegt, mindestens jedoch 1,5 mm beträgt. Diese Maßnahmen ergeben einen zuverlässigen Schutz gegen Ausbrechen des Randbereichs.

In weiterer Fortbildung der übergeordneten Maßnahmen kann die Dicke des Inlays im Bereich von 3/10 mm bis 10/10 mm liegen. Dies ergibt trotz eines sparsamen Materialverbrauchs eine ausreichende Tragfähigkeit.

Eine weitere zweckmäßige Maßnahme kann darin bestehen, dass das Inlay im Bereich seines äußeren Rands zur Oberfläche hin konisch verbreitert ist. Hierdurch ergibt sich eine zur Kolbenachse schräg geneigte Fuge zwischen Inlay und gehärtetem Material. Im Bereich dieser Fuge wird das Chrom daher an das gehärtete Material angepresst, wodurch einer Scherwirkung und damit einer Rißbildung im Fugenbereich vorgebeugt wird.

In einfachen Fällen kann es ausreichen, wenn wenigstens die brennraumferne Flanke in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet ist, da diese Flanke am meisten verschleißgefährdet ist. Zweckmäßig sind jedoch jeweils beide Flanken einer Ringnut in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet, da sich auch auf der gegenüberliegenden Seite ein ähnliches Belastungsbild ergibt. Andererseits ist der Mehraufwand vergleichsweise gering.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass auch wenigstens eine, vorzugsweise beide Flanken des Kolbenrings einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich und einen diesem benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich aufweisen. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich im Kontaktbereich gleiche Materialpaarungen ergeben, was sich günstig auf die Vermeidung von Korrosion auswirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kolben mit im Bereich der beiden Nutflanken vorgesehenen Chrom-Inlays und

Fig. 2 ein Weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem im Bereich beider Nutflanken und der diesen gegenüberliegenden Kolbenringflanken Chrom-Inlays vorgesehen, in Fig. 1 entsprechender Darstellung.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkungsweise von Hubkolbenbrennkraft­ maschinen, beispielsweise Großdieselmotoren, sind an sich bekannt und bedürfen daher im vorliegenden Zusammenhang keiner näheren Erläuterung. In den Fig. 1 und 2 ist eine Zylinderbüchse 1 angedeutet, in der ein hin- und hergehender, hier auf- und abgehender Kolben 2 angeordnet ist, der einen vergrößerbaren bzw. verkleinerbaren Brennraum begrenzt und mit einer Kurbelwelle zusammenwirkt. Im vorzugsweise abnehmbar auf einem Unterteil montierten Oberteil des Kolbens 2 sind mehrere, umlaufende Kolbenringnuten 3 vorgesehen, in denen jeweils ein unter radialer Spannung stehender, mit seinem Außenumfang an der Zylinderbüchse 1 anliegender Kolbenring 4 angeordnet ist.

Das Oberteil des Kolbens 2 besteht aus vergütetem und legiertem Stahl, der im Bereich der oberen und unteren Flanken der Kolbenringnuten 3 so gehärtet ist, dass sich über den tragenden Bereich der Flankenbreite durchgehende Härtungszonen 5 ergeben. Diese sind in den Fig. 1 und 2 durch unterbrochene Gravurlinien angedeutet. Die Dicke der Härtungszonen nimmt von außen nach innen ab. Die Härtungszonen 5 bestehen aus Martensit. Dementsprechend wird der Härtungsvorgang in der Weise vorgenommen, dass das austenitische Gefüge in martensitisches Gefüge umgewandelt wird. Der Härtungsvorgang kann zweckmäßig auf induktivem Wege erfolgen, was die erforderliche Temperaturführung zur Bewerkstelligung der gewünschten Gefügeumsetzung auf einfache Weise ermöglicht. Die Kolbenringe 4 bestehen ebenfalls aus legiertem Stahl.

In das gehärtete Material der Härtungszonen 5 ist jeweils ein aus Chrom oder einer Chromlegierung bestehendes Inlay 6 eingelassen, das sich von einem vom umfangsseitigen Nutrand distanzierten Bereich bis zum inneren Ende der jeweiligen Härtungszone 5 erstreckt und dessen Dicke kleiner als die kleinste Dicke der Härtungszone 5 ist. Die dem Kolbenring 4 zugewandte Oberfläche der Ringnutflanken besitzt daher einen aus gehärtetem Material, hier Martensit, bestehenden Randbereich 7 und einen diesem benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich 8.

Das Inlay 6 ist zweckmäßig als nach Art einer Hartverchromung galvanisch hergestellte Füllung einer durch eine geeignete Ausnehmung des gehärteten Materials der zugeordneten Härtungszone 5 gebildeten Aufnahmetasche 9 ausgebildet. Die Aufnahmetasche 9 kann durch Ausdrehen oder Ausschleifen des gehärteten Materials hergestellt werden. Zweckmäßig erfolgt dieser Bearbeitungsvorgang nach dem Härtungsvorgang. Nach der galvanischen Aufbringung des Chrommaterials können die Oberflächen zweckmäßig nachgeschliffen werden.

Die Breite des Randbereichs 7 liegt zweckmäßig im Bereich zwischen 15% bis 20% der Nuttiefe. Mindestens soll diese Breite jedoch 1,5 mm betragen, um eine ausreichende Standfestigkeit zu gewährleisten. Die Dicke des Chrominlays kann 3/10 mm bis 1 mm betragen. Der äußere Rand des Inlays 6 ist im dargestellten Beispiel zur tragenden Oberfläche hin konisch erweitert, so dass sich eine zur Kolbenachse schräg geneigte Stützfläche 10 ergibt. Im Bereich dieser geneigten Stützfläche 10 ergeben sich hierzu lotrechte Stützkräfte, wodurch einer Riß- und Stufenbildung wirksam vorgebeugt wird. Zweckmäßig kann die Neigung der Stützfläche 10 45° betragen.

In einfachen Fällen genügt es, wenn nur im Bereich der brennraumfernen Ringnutflanke, in der Regel im Bereich der unteren Ringnutflanke, ein Chrominlay 6 vorgesehen ist. In den dargestellten Beispielen sind im Bereich beider Ringnutflanken Chrom-Inlays 6 vorgesehen, was auch eine hohe Verschleißfestigkeit der brennraumnahen Ringnutflanke gewährleistet.

Die Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig. 1 dadurch, dass zusätzlich auch im Bereich beider Flanken des Kolbenrings 4 Chrom-Inlays 11 vorgesehen sind, die ebenfalls nicht bis zum umfangsseitigen Rand des Kolbenrings 4 reichen, sondern von diesem Rand so distanziert sind, dass ein aus dem Grundmaterial bestehender Randbereich 12 stehen bleibt. Dieser ist so breit, dass im gegenseitigen Anlagebereich von Kolbenring und Kolbenringnut im wesentlichen die Materialpaarungen Stahl zu Stahl und Chrom zu Chrom aufeinander zu liegen kommen, wodurch der Bildung galvanischer Elemente vorgebeugt und damit eine hohe Korrosionssicherheit erreicht wird. In den dargestellten Beispielen ist die Umfangsfläche der Kolbenringe 4 mit einer zusätzlichen Bewehrung 13, beispielsweise einer Plasma- oder Keramikschicht, versehen.

Im Bereich des umfangseitigen Rands der Ringnutflanken treten erfahrungsgemäß die höchsten Belastungen auf. Bei Betriebsbeginn trägt dabei zunächst das gehärtete Material des Randbereichs 7 voll. Dabei ergibt sich ein Belastungsbild der in Fig. 2 durch die Kurve 14 angedeuteten Art. Dieses Belastungsbild zeigt eine große randseitige Belastungsspitze. Sobald eine Mikroschicht des gehärteten Materials des Randbereichs 7 abgetragen ist, verlagert sich die Belastungsspitze in Richtung Nuttiefe, so dass nun das Chrommaterial des Chrom-Inlays 6 mehr zum Tragen kommt. Dementsprechend nimmt die Belastungsspitze im Randbereich ab und steigt die Belastung weiter innen an, wie in Fig. 2 durch das Belastungsbild 15 angedeutet ist. Die Verschiebung ist so, dass das Integral unterhalb der Kurven der Belastungsbilder 14, 15 gleich ist. Ein Vergleich der beiden Belastungsbilder 14, 15 zeigt, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen einen Ausgleich der Belastung bewerkstelligen, wobei jedes Material in optimaler Weise eingesetzt wird. Dort wo nur gehärteter Stahl trägt, wird die Belastungsspitze abgebaut. Dafür wird die Belastung des unterhalb einer kritischen Temperatur höher belastbaren Chroms angehoben, so dass das Flächenintegral konstant bleibt. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass das Chrom aus dem Bereich, wo die höchste Materialerwärmung zu erwarten ist, herausgehalten wird. Insgesamt ist daher durch diese Optimierung eine besonders lange Standzeit zu erwarten.

Claims (14)

1. Kolben für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großmotor, mit wenigstens einer einem Kolbenring (4) zugeordneten Kolbenringnut (3) mit gegen Verschleiß geschützten Flanken, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche wenigstens einer Flanke einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randberich (7) und einem diesen benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (8) aufweist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich wenigstens einer Flanke eine über die Flankenbreite durchgehende, durch gehärtetes Material gebildete Härtungszone (5) vorgesehen ist, in die ein vom umfangsseitigen Rand distanziertes, im wesentlichen aus Chrom bestehendes Inlay (6) mit gegenüber der Dicke der Härtungszone (5) kleinerer Dicke eingelassen ist.

3. Kolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest im Bereich der wenigstens vorgesehenen, einen Kolbenringnut (3) aus härtbarem Stahl besteht, der im Bereich wenigstens einer Flanke der Kolbenringnut (3) über der ganzen Flankenbreite und auf einer die Dicke des Inlays (6) übersteigenden Tiefe gehärtet und mit einer dem Inlay (6) zugeordneten Aufnahmetasche (9) versehen ist.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Inlay (6) als galvanisch hergestellte Füllung der im Bereich der Härtungszone (5) vorgesehenen Aufnahmetasche (9) ausgebildet ist.

5. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmetasche (9) als Ausdrehung ausgebildet ist.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Randbereichs (7) 15% bis 20% der Flankenbreite entspricht, mindestens jedoch 1,5 mm beträgt.

7. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Inlays (6) im Bereich von 3/10 mm bis 1 mm liegt.

8. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Inlay (6) im Bereich seines äußeren Rands zur tragenden Oberfläche hin konisch verbreitert ist.

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus Chrom bestehende Innenbereich (8) vom Randbereich (7) bis zum radial inneren Flankenende durchgeht.

10. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die brennraumferne Flanke der Kolbenringnut (3) einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (7) und einen diesen benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (8) aufweist.

11. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Flanken der Kolbenringnut (3) einen durch gehärtetes Material gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (7) und einen diesem benachbarten, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (8) aufweisen.

12. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenring (4) im Bereich wenigstens einer Flanke eine Oberfläche mit einem durch legierten Stahl gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (12) und einen diesem benachbaren, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (11) aufweist.

13. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumferne Flanke des Kolbenrings (4) eine Oberfläche mit einem durch legierten Stahl gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (12) und einen diesem benachbaren, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (11) aufweist.

14. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Flanken des Kolbenrings (4) jeweils eine Oberfläche mit einem durch legierten Stahl gebildeten, umfangsseitigen Randbereich (12) und einen diesem benachbaren, im wesentlichen aus Chrom bestehenden Innenbereich (11) aufweisen.