DE2130736C3 - Aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeter Kolben - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeten Kolben, der einen integralen Kopfabschnitt aufweist, Ringflanschabschnitte und einander gegenüberliegende Kolbenbolzenaugen und einen Gleitabschnitt, wobei die Wandungen, die die inneren Enden der Kolbenbolzenaugen begrenzen, konvergierend zu dem Kopfabschnitt hin geneigt *° sind.

Bisher wurden derartige Kolben mit abgeschrägten inneren, einander gegenüberliegenden Flächen an den Kolbenbolzenaugen ausgebildet, um mehr Fläche an der Oberseite als an der Unterseite der Kolbenbolzenaugen zur Verfügung zu haben. Dieser Aufbau war derart, daß eine größere Oberfläche sowohl in den Kolbenbolzenaugen des Kolbens als auch am Pleuel zur Verfügung stand, damit die Druckbelastung ohne eine proportionale Gewichtszunähme aufgenommen werden könnte.

Es wurde nun gefunden, daß Auslenkungen des Kolbenbolzens selbst die Wirksamkeit einer derartigen Gestaltung auf ein Minimum herabsetzte. Unter Betriebsbedingungen, unter denen hohe Druckbelastungen auftreten, haben hohle Kolbenbolzen die Neigung, elliptisch oder oval verformt zu werden. Sowohl hohle als auch feste Kolbenbolzen verbiegen sich unter den hohen Druckbelastungen und führen zu Belastungskonzentrationen an den inneren Kanten der Bolzenaugen im Kolben. Diese Art von Kolbenbolzenverbiegungen führt zu Fehlern in den Kolbenbolzenaugen, die als rißartige Sprünge an den inneren Kanten der Kolbenbolzenaugen fertiggestellt werden können.

Es wurden bereits große Anstrengungen unternommen, um den Metallkornfaserverlauf während des Schlagschmiedeny in der richtigen Weise auszurichten damit ein Kolben mit verbesserter Festigkeit hergestellt werden kann. In der USA.-Patentschrift 2 465 792 wird eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Kolbenkopfes beschrieben, die dadurch erzielt wird, daß ein Metallblock verwendet wird in dem der Metallkornfaserverlauf anfangs quer' zur Richtung der Kompressionskraft des Schmiedevorganges gerichtet ist, so daß auch nach der anschließenden Bearbeitung der Metallkornfaserverlauf noch mehr oder weniger in seiner ursprünglichen Querrichtung ausgerichtet ist.

In der USA.-Patentschrift 2 667 390 wird ein Kolben beschrieben, der einen ungebrochenen Metallkornfaserverlauf aufweist, dtr sich vom Kopf in die Kolbenbolzenaugen und in die Gleitabschnitte hinein erstreckt und parallel zu den inneren und äußeren Umfangsoberflächen verläuft.

Die USA.-Patentschrift 2795467 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens aus einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt unter solchen Bedingungen, daß der Metallkornfaserverlauf parallel zu den Oberflächen des Gleitabschnittes verläuft und sich im Kopfabschnitt quer erstreckt. d. h. prallel zur äußeren Oberfläche dieses Abschnittes.

In der USA.-Patentschrift 3 010186 ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem auf ein Ende von Gußstücken ein Schlag ausgeübt wird, um die gegossene Kristallstruktur des Metalls einer Knetbearbeitung zu überziehen und um eine Faserbandkonfiguration herzustellen, die extrudiert werden kann, ohne daß das Metall einreißt. Durch die Anfangsbehandlung des Gußkörpers wird ein fester zylindrischer Materialteil hergestellt, der eine querverlaufende abgerundete mittlere Rippe aufweist. Wenn diese Rippe mit dem Stoßstempel in Berührung kommt, so steht eine ausreichende Metallzusatzmenge zur Verfügung, um die Extrusion der Gleitabschnitte durchführen zu können, die im Abstand von den Bolzenaugen liegen. Dadurch, daß eine Kernfaserstruktur anfangs in dem Gußkörper ausgebildet wird, kann ein festerer Kolben als Endprodukt erzeugt werden.

Diese bekannten Kolben haben sich in den Fällen, in denen sehr hohe Druckbelastungen auftreten, nicht als zufriedenstellend erwiesen r.nd es erfolgten immer wieder Rißbildungen.

Die deutsche Auslegeschrift Sch 1998 beschreibt ein Verfahren, bei dem mittels eines Domes bei einem Rohling die Kolbenbolzenaugen aufgedornt werden. Beim Einführen des Domes erfolgt ein Auseinanderspreizen der Metallkornfasern, die im Kolben durch das Pressen in Längsrichtung verlaufen. Dadurch ergibt sich beim nachträglichen Aufdornen gerade im gefährdeten Bereich, nämlich dem dem Kolbenboden nächstliegenden Bogenabschnitt des Kolbenbolzenauges eine besonders große Kerbempfindlichkeit.

In der DT-PS 1 184 570 wird ein Kolben beschrieben, dessen Bolzenaugen in einem Gesenk mittels Stempeln hergestellt werden, die das Material verdrängen, welches den Raum der späteren Bolzenaugen ausfüllt. Hierdurch soll der Kornfaserverlauf in der am meisten bruchgefährdeten Zone, nämlich an der inneren Stirnfläche des Bolzenauges, verbessert werden. Es wird ein Faserverlauf erzielt, bei dem die Fasern an der Bohrung nach innen in axialer Richtung des Bolzens, also parallel zum Bolzenauge zu den Stirnflächen hin gebogen verlaufen.

Auch hierdurch wird die Kerbempfindlichkeit an der kritischen Stelle nicht wesentlich herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben zu schaffen, bei dem praktisch im gefährdeten Bereich des Kclbenbolzenauges keine Kerbempfindlichkeit vorliegt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß die Kolbenbolzenaugen ausgesparte Abschnitte aufweisen, so daß der Metallkomfaserverlauf in dem diese ausgesparten Abschnitte umgebenden oberen Bereich wenigstens teilweise kreisförmig ist. In vorteilhafter Weise erfolgt durch die Ausbildung der «usgesparten Abschnitte eine Stauchung quer zu den ja diesem Bereich liegenden Metallkornfasern und dadurch erfolgt ein kreisförmiges Herumbiegen um die Schulterabschnitte. Dieser Metallkomfaserverlauf führt zu einer verbesserten Festigkeit in diesem Bereich.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die ausgesparten Abschnitte in den Kolbenbolzenaugen im allgemeinen halbkreisförmige obere Abschnitte aufweisen, die dem Kopf des Kolbens zunächst liegen und im allgemeinen parallele Seitenwandungen haben. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die maximale Tiefe der ausgesparten Abschnitte wenigstens 20 ° ο des Abstandes vom halbkreisförmigen oberen Abschnitt zum äußeren Umfang des Kolbens beträgt.

Die Erfindung soll in der folgenden Beschreibung unte. Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines bisher bekannten Kolbens, mit schrägen Flächen an den Kolbenbolzenaugen,

Fig.2 eine Teilschnittansicht eines bekannten Kolbens, wobei die Verformung der Kolbenbolzenaugen bei hohen Belastungen veranschaulicht ist,

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Ansicht einer verbesserten Stempelbaugruppe, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens verwendet werden

Fig.4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kolbens, in der die neue Konfiguration der ausgesparten Abschnitte der Kolbenbolzen äugen mit schrägen Flächen gezeigt ist und

Fig.5 eine Ansicht, gesehen von der Linie V-V der Fig.4 aus, in der der Metallkomfaserverlauf in dem Bereich gezeigt ist, der den Abschnitt umgibt, in dem das Kolbenbolzenauge vorgesehen ist.

In F i g. 1 ist mit 10 ein Kolben aus einer Aluminiumlegierung bezeichnet, wie er üblicherweise verwendet wird. Dieser Kolben weist einen integralen Kopfabschnitt 11 auf, in dem eine flache kreisförmige Aussparung 12 ausgebildet ist. Dieser Kolbenkopf weist Kolbenringnuten 13 auf. Der Kolben weist Kolbenbolzenaugen 14 auf, in denen ein Kolbenbolzen 15 angeordnet ist. Dieser Kolbenbolzen wird gegen eine Querbewegung durch Schnappringe 16 und 17 festgehalten, die in den Kolbenbolzenaugen angeordnet sind. Der Kolbenbolzen 15 ist mit einer Pleuelstange 18 in der üblichen Weise verbunden.

Die Innenseiten der Kolbenbolzenaugen weisen schräg verlaufende Oberflächen 19 und 20 auf, die zum Kopf des Kolbens hin konvergieren. Durch diese Ausbildung ist eine größere Fläche an der Oberseite der Kolbenbolzenaugen als an deren Unterseite vorhanden. Dadurch, daß mehr Oberfläche in den Kolbenbolzenaugen des Kolbens und an der Pleuelstange zur Verfugung steht, können größere Drucklasten aufgenommen werden, ohne daß eine proportionale Gewichtszunahme des Kolbens in Kauf genommen werden muß. Bei der in F i g. 1 dargestellten Aasführungsform treten jedoch sehr häufig Fehler auf, die durch eine Verbiegung des Kolbenbolzens unter Druckbelastungen entstehen, wodurch die Kolbenbolzenaugen 14 oval oder elliptisch verformt werden, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Dies ίο führt zu Brüchen oder Rissen in dem parallelen Metallkomfaserverlauf, wie er bei 21 in Fig.2 dargestellt ist. Da die Belastungen, die durch die Auslenki ng oder Verbiegung des Kolbenbolzens erzeugt werden, im allgemeinen quer zur Richtung des Kornfaserverlaufes 21 verlaufen, kann bei einer derartigen Gestaltung die maximale Materialfestigkeit nicht ausgenutzt werden.

Es ist nun ein Metallkomfaserverlauf in der Umgebung der Kolbenbolzenaugen vorgesehen, der im allgemeinen kreisförmig um die Kolbenbolzenaugen herum verläuft und der deshalb den Belastungskonzentrationen besser wiederstehen kann, die an den inneren Kanten der Kolbenbolzenaugen im Kolben auftreten. In Fig.3 sind ein Stempel und eine Matrize dargestellt, die zur Herstellung des Kolbens verwendet werden können. Ein Stempel 22 ist zum Schlagschmieden eines Rohlings 23 vorgesehen, der aus einer Aluminiumlegierung besteht. Dieser Rohling 23 ist in einer Matrize 24 angeordnet. Der geschmiedete Rohling ist nach seiner Herausnahme aus dem Gesenk in Fig. 4 dargestellt. Der Stempel 22 weist einen Entlüftungskanal 25 auf und einen gebogenen Abschnitt 26, der einen gebogenen Abschnitt 27 (Fig.4) unterhalb des Kopfabschnittes des KoI-bens ausbildet. Der gebogene Abschnitt 26 des Stempels geht in zwei relativ breite gebogene Stempeloberflächen 28 und 29 über, welche die gegenüberliegenden Aussparungen am Gleitabschnitt des Kolbens ausbilden. Zwischen den beiden gebogenen Abschnitten 28 und 29 sind zwei Schultern 30 und 31 vorgesehen, die das Metall im Bereich der Kolbenbolzenaugen 32 und 33 (F i g. 4) formen. Wie F i g. 4 zeigt, formt der Stempel das Metall derart, daß zwei konvergierend geneigte innere Oberflächen 34 und 35 an den Kolbenbolzenaugen vorgesehen werden, sowie gegenüberliegende ausgesparte Abschnitte 36 und 37. Die ausgesparten Abschnitte 36 und 37 haben ihre größte Tiefe an der dem Kopf des Kolbens nächstgelegenen Stelle und weisen parallele Seitenwandungen 38 und 39 auf, die sieb von dieser Stelle aus nach unten erstrecken. Wie Fi g. 5 zeigt, sind die ausgesparten Abschnitte 36 und 37 im allgemeinen von halbkreisförmiger Form, wie es bei 40 gezeigt ist, und zwar an der Stelle der maximalen Tiefe der Aussparung, und die Tiefe der Aussparung nimmt von dem halbkreisförmigen oberen Abschnitt bis zum Boden der Aussparung hin ab.

Der Stempel 22 kann ferner innere Schlitze 41 und 42 aufweisen, die dazu dienen, gebogene, diametral gegenüberliegende Rippen 43 und 44 in dem in F i g. 4 dargestellten Schmiedestück auszubilden. Die Rippen können verwendet werden, um den Kolben bei den anschließenden Bearbeitungen genau anzuordnen. Diese Rippen können im fertigen Kolben verbleiben oder können bei dem anschließenden Einarbeiten der Ringnuten und der Kolbenbolzenaugen entfernt werden, und zwar je nach der endgültigen Gestaltung des Kolbens.

Fig. 4 zeigt, daß der Metallkornfaserverlauf 45 in der Umgebung der Kolbenbolzenaugen im allgmeinen der Kontur der Aussparungen folgt, die durch den Stempel 22 erzeugt werden. Am halbkreisföimigen Abschnitt der Aussparungen ist, wie F i g. 5 zeigt, der Metallkornfaserverlauf im allgemeinen kreisförmig, wie es durch den Faserverlauf bei 46 veranschaulicht wird, der den tiefsten Abschnitt der Aussparung umgibt. Der Metallkornfaserverlauf in den Gleitabschnitten erstreckt sich im allgmeinen parallel zu deren Oberflächen. Die Kolbenboizenaugen 47 werden dann im geschmiedeten Stück ausgebildet, wie es gestrichelt in F i g. 5 dargestellt ist.

Es wurde gefunden, daß zur Erzielung bester Ergebnisse die Tiefe der ausgesparten Abschnitte 36 und 37 an den Stellen größter Abmessungen, die in Fig.4 mitA bezeichnet sind, wenigstens 20% des radialen Abstandes vom äußeren Umfang des Schmiedestückes bis zur inneren Oberfläche des Kolbolzenauges an der oberen Kante der Kolbenbolzenbohrung sein sollte. Diese Abmessung ist in

Fig.4 mitB bezeichnet. Die AbmessungA sollte eine minimale Abmessung von 0,95 cm haben.

Durch den neuen Kolbenaufbau wird eine bessere Festigkeit erzielt, die den Kolbenbolzenauslenkungen entgegenwirkt, als die Festigkeit, die bei den bisher bekannten Kolben erreicht wurde, bei denen der Metallkornfaserverlauf der Längsrichtung der Kolbenbolzenaugen folgte und mehr oder weniger parallel zu den äußeren und inneren Oberflächen der Augen verlief. Dadurch, daß ein kreisförmiger Me-

»5 tallkornfaserverlauf im Bereich der Kolbenbolzenaugen verwendet wird, werden Rißbildungen u. dgl. erheblich herabgesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Aus einer Aluminiumlegierung geschmiedeter Kolben, der einen integralen Kopfabschnitt aufweist, Ringflanschabschnitte und einander gegenüberliegende Kolbenbolzenaugen und einen Gleitabschnitt, wobei die Wandungen, die die inneren Enden der Kolbenbolzenaugen begrenzen, konvergierend zu dem Kopfabschnitt bin geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzenaugen (32, 33) ausgesparte Abschnitte (36, 37) aufweisen, so daß der Metallkornfaserverlauf (46) in dem diese ausgesparten Abschnitte umgebenden oberen Bereich wenigstens teilweise kreisförmig ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesparten Abschnitte (36, 37) in den Kolbenbolzenaugen im allgemeinen halbkreisförmige obere Abschnitte (40) aufweisen, ao die dem Kopf des Kolbens nächst liegen und im allgemeinen prallele Seitenwandungen haben.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Tiefe (A) der ausgesparten Abschnitte (36, 37) wenigstens 20% des Abstandes (B) vom halbkreisförmigen oberen Abschnitt zum äußeren Umfang des Kolbens beträgt.