DE2018653A1 - Leichtmetallkolben - Google Patents
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Description
Leichtmetallkolben
Die· Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung,
insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.
Reinaluminium ist als Kolbenwerkstoff ungeeignete Die an einen
Kolbenwerkstoff gestellten Anforderungen, wie ausreichende Zugfestigkeit, Härte, Streckgrenze und Bruchdehnung auch bei
Betriebstemperaturen, möglichst ein in der Nähe des Graugusses liegender niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, gute Gleiteigenschaften
und hohe Verschleißfestigkeit, können deshalb nur mit zweckmäßig ausgewählten Leichtmetallegierungen erfüllt
werden. Die Legierungskunde sowie die Technik des Gießens, Knetens und Wärmebehandeins ist weit entwickelt und die Zahl
der als Kolbenwerkstoff verwendeten Leichtmetallegierungen groß, dennoch können mit den heute zur Verfügung stehenden
Leichtmetallegierungen nicht alle Ansprüche insbesondere im Hinblick auf ihre mechanische und thermische Beanspruchbarkeit
bei hoch belasteten Verbrennungskraftmaschinen erfüllt werden, da die im allgemeinen für die Kolbenherstellung verwendeten
hochsiliziumhaltigen Leichtmetallegierungen bei Temperaturen oberhalb von 20O0C einen steilen Abfall ihrer Festigkeits- und
Härtewerte sowie auch ihrer Gleiteigenschaften aufweisen.
Um eine Erwärmung der Leichtmetallkolben von Viertaktmotoren
auf Temperaturen oberhalb von 2000C zu vermeiden, ist es
bekannt, den Kolben mit öl zu kühlen, in dem die Kolbenboden-Innenoberfläche
mit aus dem Schmierölkreislauf entnommenen öl angespritzt wird. Die intensivste Kühlung läßt sich mit
109845/07U
im Kolbenkopf eingegossenen Kühlräumen erzielen, die zwangsläufig
von Kühlöl durchflossen werden» Die erzielte Temperatursenkung
beträgt etwa 40 bis 600C.
Aufgrund der geringen Warmhärte und' Warmfestigkeit der Leichtmetallegierungen
zeigen sich aber auch bei ölgekühlten Leichtmetallkolben gewisse Grenzen. Dies wird um so deutlicher je
höher die spezifischen Leistungen und damit die thermische und mechanische Belastung steigen. Es ist deshalb vorgeschlagen
worden, den Kolben zweiteilig auszubilden, wobei Kolbenoberteil (Kolbenboden mit Ringzone) und Kolbenunterteil (Kolbenschaft mit
Bolzennaben) aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und
beide Teile über geeignete Verbindungselemente, insbesondere Schrauben, miteinander verbunden sindo Bas EoXbenoberteil besteht
La9 aus Gußeisen oder Stahl, während aas Eolbenunterteil
aus einer gepreßten Leichtmetallegierung gebildet wird. Durch einen derartigen, sogenannten "gebauten" Kolben werden ein
kleinstmögliches Spiel zwischen Kolbenkopf und Zylinder, niedrige
Temperaturen in dieser Zone und an den Kolbenringen sowie geringer
Verschleiß in den Kolbenringnuten erzielt (Aluminium 45,
Nr. 9, 1959, S9 548/49)« Nachteilig ifirkt sich jedoch bei diesen
gebauten Kolben die durch die Verwendung von Gußeisen oder Stahl bedingte Erhöhung des Kolbengewichts aus$ da dadurch die Massenkräfte
stark erhöht werden,, Über dies ist die Schraubenverbindung
zwischen Kolbenkopf und Kolbenschaft aufgrund der relativ großen Verformungen des Kolbenkopfes unter thermischer
und mechanischer Belastung vergleichsweise störanfällig»
Aus der DOS 1 913 202 ist ferner ein Leichtmetallkolben bekannt,
bei dem von dem Kolbenkopf zu jeder Eolbeiibolzenbohrung
eine faserartige Verstärkung verläufts die nur in diesem Bereich
festigkeitserhohend wirkt, während die Itfansfegtigkeit und Warmhärte
sowie Bruchdehnung des gesamten Kolbens nur unbedeutend verbessert werdene
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Nachteile
109845/07U ' _. 3 .
des vorgenannten Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere
einen für höchste spezifische Leistungen, wie sie mehr und mehr im Verbrennungskraftmas chinenbau gefordert
werden, geeigneten Leichtmetallkolben zu entwickeln, der thermisch und mechanisch überdurchschnittlich hoch belastbar
ist und bei dem das geringe Gewicht der Leichtmetallegierung im Hinblick auf ein günstiges Kolbengewicht ausgenutzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen eines Leichtmetallkolbens
aus poly- oder monokristallinen, metallischen oder {
nichtmetallischen Fasern paketartig geformte Einlagerungen eingebettet sind, wobei die Fasern jeweils in Richtung der
auftretenden Spannungen verlaufend angeordnet sind. Die verwendeten Fasern, deren Durchmesser 1 bis 100 /um vorzugsweise
5 bis 50 jum insbesondere 10 bis 25 /um beträgt, besitzen eine
Zugfestigkeit, die mindestens das eineinhalb- bis dreifache vorzugsweise zwei- bis zweieinhalbfache der Zugfestigkeit des
verwendeten Leichtmetallwerkstoffs beträgt.
Der wesentlichste Teil der Faserfestigkeit wird dann ausgenutzt,
wenn der Faseranteil des Leichtmetallkolbens 20 bis 80 Vol.96 vorzugsweise 30 Ms 70 Vol.96 insbesondere 40 bis Λ
60 Vol.96 ausmacht. "
Nach einem speziellen Merkmal der Erfindung sind im Bereich
von mehrachsigen Spannungszuständen die Fasern netzförmig angeordnet.
Im Rahmen der besonderen Ausgestaltung der Erfindung hat es
sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das Fasermaterial aus einem das Gleiten erleichternden Werkstoff, wie z.B. Graphit, besteht.
Als weitere Fasern kommen solche aus Siliziumkarbid, Aluminiumoxid,
austeni ti schein Stahl, Bor, Borkarbid, Siliziumoxid,
- 4 10984S/07U
Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal in Betracht.
Zur Gewährleistung einer optimalen Kraftübertragung muß eine
so große Haftung zwischen den Fasern und dem Leichtmetallwerk-,
stoff an den Grenzflächen vorausgesetzt werden, daß die Komponenten bei Beanspruchung nicht aneinander gleiten, sondern
daß sich Faden und Leichtmetall in gleicher Weise dehnen.
Die Warmfestigkeit und Warmhärte des Leichtmetallkolbens werden somit weitgehend von der Warmfestigkeit und Warmhärte
" der eingelagerten Fasern bestimmt. Die Faserverstärkung eines Leichtmetallkolbens bewirkt, daß in den thermisch und mechanisch
hochbelasteten Bereichen, wie Außenoberfläche des Kolbenbodens, engster Querschnitt über der Kolbenbolzennabe, Kühlkanäle,
Ringnuten, Feuersteg, Kolbeninnenform, Kanten des Innenverbrennungsraums,
die Gestaltfestigkeit des Leichtmetallkolbens bei hoher spezifischer Leistung"wesentlich verbessert wird.
Auch wird an verschleißmäßig hoch beanspruchten Stellen des Kolbens, wie z.B. Ringnuten und Kolbenschaft, der Verschleiß-Widerstand
nicht unbedeutend gesteigerte
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt h und wird im folgenden näher erläutert.
In einen Kolben aus der Aluminium-Gußlegierung AlSiI2CuNi
mit einer Zugfestigkeit von 21 kp/mm sind in den mechanisch und thermisch hochbelasteten Bereichen paketartig gepreßte
Einlagerungen aus Kohlenstoffstahldraht, der einen Durchmesser
von 50 yum und eine Zugfestigkeit von 130 kp/mm besitzt, eingegossen,
wobei der Volumenanteil der Einlagerungen 38 % beträgt.
Die an einem derartig aufgebauten Leichtmetallkolben auf einer bekannten Prüfmaschine ermittelte Zugfestigkeit konnte gegenüber
einem nicht faserverstärkten Leichtmetallkolben auf 48 kp/mm
gesteigert werden«
« 5 _ 109845/07U
Die Festigkeitssteigerung des Leichtmetallkolbens mit Hilfe von verstärkend wirkenden Fasern gemäß der vorliegenden
Erfindung hat gegenüber dem Ersatz des Leichtmetallwerkstoffs
durch Stahl- oder Grauguß den Vorteil des geringeren Gewichts und die Vermeidung von Schraubverbindungen. Als weiterer Vorteil
kommt hinzu, daß die Wärmeleitfähigkeit des faserverstärkten Leichtmetallkolbens bedeutend höher und in etwa der
des Leichtmetallwerkstoffs entspricht, wodurch eine bessere und gleichmäßigere Temperaturverteilung, vor allem am Kolbenboden,
sowie im Bereich des Ringfeldes, erzielt wird.
- 6 Patentansprüche
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Claims (5)
- PATENTANSPRÜCHEM) !Leichtmetallkolben mit Fäserverstärktmg, insbesondere für ^~"^Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß in den thermisch und mechanisch hochbelasteten Bereichen des Leichtmetallkolbens aus poly- oder monokristallinen, metal-• lischen oder nichtmetallischen Faserns deren Durchmesser bis 100 ^um vorzugsweise 5 bis 50 pm insbesondere 10 bis 25fim und deren Zugfestigkeit wenigstens das eineinhalb- bis dreifache vorzugsweise zwei bis zweieinhalbfache der Zufgestigkeit des Kolbenwerkstoffs beträgt, paketartig geformte Ein-" lagerungen eingebettet sind, wobei die Fasern jeweils in Richtung der auftretenden Spannungen verlaufend angeordnet sind.
- 2) Leichtmetallkolben mit FaserverStärkung nach Anspruch 1 s_4a._(Ji^g.u--JLeiEenrizeJ· c^me "fc$ ^a^ äe** Faseranteil des Kolbens 20 bis 80 Vol.% vorzugsweise 30 bis JQ ¥ole% insbesondere 40 bis 60 Vol.tf beträgt.
- 3) Leichtmetallkolben mit FaserverStärkung nach den Ansprüchen 1 und 2«, dadurch gekennzeichne-fc, daß die Fasern aus Graphit, Siliziumcarbid, Aluminiurnoxid, austenitischemJk Stahl, Bor, Borkarbid, Siliziumoxid, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal bestehen.
- 4) Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich von mehrachsigen Spannungszuständen die Fasern netzförmig verlaufend angeordnet sind.
- 5) Leichtmetallkolben mit Faserverstärkung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlagerungen im Bereich der Außenoberfläche des Kolbenbodens, des Feuerstegs, der Ringnuten insbesondere im Bereich der er-109845/0 7 Usten Ringnute, im engsten Querschnitt über der Kolbenbolzennabe, in der Kolbeninnenform sowie im Bereich eventuell eingegossener Kühlkanäle und der Kanten des Innverbrennungsraums angeordnet sind.109845/07U
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- 1971-04-12 BR BR2147/71A patent/BR7102147D0/pt unknown
- 1971-04-19 GB GB2384170A patent/GB1320264A/en not_active Expired
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Legal Events
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8131 | Rejection |