DE2923934C2 - Zusammengesetzter Kolben für Verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
Zusammengesetzter Kolben für VerbrennungskraftmaschinenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen zusammengesetzten
Kolben, insbesondere für Brcnnkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem bekannten zusammengesetzten Kolben (siehe DE-OS 27 36 815) ist der Kolbenkopf aus einem
Keramikeinsatz und einem ringförmigen Hülsenkörper zusammengesetzt, welcher letzterer mit dem Kolbengrundkörper
verschraubt oder verschweißt ist, wobei der Keramikeinsatz durch einen übergreifenden Ringflansch
zwischen dein Hülsenkörper und dem Kolbengrundkörper gehalten ist. Als Verdrehsicherung für den
verschraubten Hülsenkörper dient ein Gewindestift, der w> innerhalb des Kolbengrundkörpcrs derarl angeordnet
ist. daß die zugehörige Innengewindebohrung einerseits innerhalb des Kolbengrundkörpcrs und andererseits im
Bereich des den Hülsenkörper aufnehmenden Außengewindes mündet. h">
Nachteilig hieran ist, daß nicht der gesamte obere Teil
des Kolbengrundkörpers von einem Keramikkörper gedeckt ist. daß also der Kolbenkopl nicht vollständig aus
dem keramischen Material besteht Dadurch ist die ■Wärmeisolierung der Verbrennungskammer nicht optimal gelöst, so daß auch die sich daraus ergebende Treibstoffeinsparung und verbesserte Verbrennungscharakierislik noch nicht optimal ist. Da der Keramikeinsatz
innerhalb des aus einem anderen Material bestehenden Hülsenkörpers nur klemmend gehalten ist, ergibt sich
wegen der vorhandenen unterschiedlichen Wärmedehnungen und -spannungen keine absolut sichere Befestigung der Teile aneinander und des Kolbenkopfes am
Kolbengrundkörper. Außerdem ist das Vorhandensein mehrerer Einzelteile relativ aufwendig und kostspielig.
Des weiteren ist auch die Verdrehsicherung in Form des Gewindestiftes nachteilig, da einerseits auch hier wieder
mehrere Einzelteile und Bearbeitungsvorgänge notwendig sind und da andererseits die Gefahr besteht, daß
auf die Dauer sich über diese Verdrehsicherung Leckagen von außen nach innen ergeben.
Mit anderen Worten, es muß insbesondere auf die Bruchempfindiichkeit bei Stoß des keramischen Materials Rücksicht genommen werden. Da ein solcher keramischer Kolbenkopf mit einem Koibengrundkörper
kombiniert ist, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, bringt naturgemäß der Unterschied in den
Wärmedehnungs-Koeffizienten erhebliche Probleme. Wird eine derartige Brennkraftmaschine lange Zeit betriebe!:, so ergeben sich Spiele zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper gerade aufgrund dieses Unterschiedes in den Wärmeausdehnungs-Koeffizienten, was während des Betriebes zu schädlichen Stoßen auf das Keramikmaterial führen kann.
Aus der DE-PS 7 25 761 und der DE-PS 4 20 605 ist es bekannt, daß sich der Kolbenkopf und der Koibengrundkörper miteinander unmittelbar berühren, was
zur Folge hat, daß aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Spiel auftritt, das dann,
wenn der Motor in Betrieb ist, für das Keramikmaterial sehr schädlich ist, weil ein solches Spiel Stöße auf das
Keramikmatcrial geradezu herausfordert.
Bei einem aus der GB-PS 3 55 474 bekannten zusammengesetzten
Kolben besteht eine Kontaktfläche zwischen Gewindegängen parallel zur Achse des Kolbengrundkörpers.
Wenn der Kolbenkopf aus Keramikmatcrial und der Kolbengrundkörper aus einer Aluminiunilcgierung
hergestellt ist, ist der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen beiden Materialien
so groß, daß der Kolbengrundkörper in radialer Richtung sich mehr ausdehnen kann als der Kolbenkopf,
was demgemäß in einer extremen Situation zur Folge hat, daß beide Teile sich voneinander trennen und
die Befestigung des Kolbenkopfes am Koibengrundkörper sich löst. Dieses Lösen des Kolbenkopfes kann wie
derum ein Spiel zwischen den beiden Teilen bewirken und Sprünge am Kolbenkopf verursachen.
Schließlich ist in der früheren nicht vorveröffentlichten DE-OS 27 57 668 beschrieben, daß der aus keramischem
Material bestehende Kolbenkopf die Vorderseite des Kolbengrundkörpcrs ganzflächig bedeckt; jedoch
wird dort der Kolbenkopf mit Hilfe einer ihn durchdringcndcn
Schraube am darunterliegenden Kolbengrundkörper befestigt, wobei diese Schraube aufgrund einei
gewühlten An/.ugsvorspannung gleichzeitig als Vcr drehsicherung dient. Dies ergibt jedoch Schwierigkeiten
an Aulwendungen hinsichtlich der Anpassung de? Schiaubcnkopfes an die l'orm der Stirnfläche des KoI
benkopfes und darüber hinaus ist auch hier wieder eint Wärmebrücke durch die Schraube gegeben. Außerdcn
besitzt diese Art der Befestigung von Kolbenkopf um
Kolbengrundkörper den Nachteil, daß bei wiederholtem Motorenbetrieb eine Differenz in der thermischen
Ausdehnung zwischen Kolbenkopf und Kolbcngrundköiper
wiederholte Beanspruchungs- und Deformationsänderungen
bewirkt, was zur Folge hat, daß die beiden Teile sich lösen, was wiederum zu Schwierigkeiten
am Motor, beim Kühlen des Kolbenkopfes oder in der Abdichtung führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen zusammengesetzten Kolben der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden,
daß eine Verbindung zwischen dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper aus
Aluminium oder einer Aluminium-Legierung geschaffen wird, die eine unmittelbare Kopplung von Kolbenkopf-Material
und Kolbengrundkörper-Material vermeidet, den Abbau radial gerichteter Dehnungsspannungen
im Kolbengrtindkörper im Bereich der Verbindung
zuläßt und eine einfache Sicherung gegen Verdrehen der zu verbindenden Kolbentcile unter Ve;tneidung
von thermisch bedingten, unzulässig hohen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien und von
Gas-Leckagen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem zusammengesetzten Kolben der genannten Art durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Kolben ist der gesamte obere Teil des Kolbengrundkörpers vom aus keramischen
Material bestehenden Kolbenkopf abgedeckt. Die Erfindung begnügt sich somit hinsichtlich des Kolbenkopfes
mit weniger Teilen und schafft eine relativ einfache Lösung zum sicheren Verbinden von Kolbenkopf
und Kolbengrundkörper. Da zwischen dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper ein
geschlitzter Ring angebracht ist, ist eine unmittelbare Kopplung zwischen den beiden erstgenannten Teilen,
nämlich dem keramischen Kolbenkopf und dem Kolbengrundkörper verhindert. Außerdem kann dadurch
die innere Spannung des Kolbengrundkörpcrs. der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, insbesondere
in radialer Richtung absorbiert werden. Außerdem ist die Verdrehsicherung in optimaler Weise an die verwendeten
Materialien angepaßt, da sie ebenfalls zusätzliche Einzelteile vermeidet, die insoweit Probleme mit
sich bringen würden, als das keramische Material schwierig zu bearbeiten ist und nur mäßige Zugkräfte
aushalten kann. Bei der Verdrehsicherung gemäß vorliegender Erfindung ist erreicht, daß die thermische Differenz
zwischen Kolbenkopf und Kolbengrundkörper im Spiel zwischen dem Vorsprung und dem ihn aufnehmenden
Hohlraum aufgefangen werden kann, wodurch es deshalb nicht zu Bruch kommen kann. Da außerdem
dieser Hohlraum von dem Vorsprung nicht durchdrungen wird, besteht auch keine Möglichkeit einer Gaslekkage.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in
der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und
erläutert wird. Es zeigt
F i g. 1 einen axialen Querschnitt durch einen zusammengesetzten Kolben für Motoren gemäß einem Ausführungsbeispiel
vorliegender Erfindung,
F i g. 2 eine Schrägansicht zur Darstellung eines Verbindungselementes
für den Kolbenkopf und den Kolbengrundkörper der F i g. 1,
Fig. 2a eine Schrägansicht des Kolbenkoofes der Fig.l,
Fig. 3 eine Schrägansicht des Kolbenkopfes gemäß
einem anderen Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung und
Fig.3a einen axialen Teillängsschniti des Kolbenkopfes
der Fig.3, wie er mit einem anderen Kolbenr>
grundkörpcr verbunden ist.
In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 der Kolbenkopf
und mit der Bezugsziffer 2 der Kolbengrundkörper dargestellt, welche beide Elemente als separate Bauteile
gebildet sind. Der Kolbenkopf 1 ist aus Keramikmaterial hergestellt das in vorteilhafter Weise aus derjenigen
Gruppe ausgewählt ist, die eine hochbeanspruchbare Glaskeramik (kristallisiertes Glas), Siliziumnitrid, Siliziumkarbid
und Aluminiumoxid umfaßt. Unter anderem wurde Glaskeramik deswegen als vorteilhaft empfun-
den. weil es genau so fest wie herkömmliches Bernstein oder gesinterter rostfreier Stahl ist, weil es zur Gewichts-
und Kosienrcduzierung beiträgt, ferner weil eine sehr große Genauigkeit der herzustellenden geneigten
Oberfläche sichergestellt, da es wie geschmolzenes
Glas zu einer gewünschien Form geformt bzw. gegossen werden kann, und weil es leicht durch Blasformen
oder Preßformen unter Verwendung einer Gußform ohne weitere Bearbeitung herzustellen ist. Nach dem Formen
wird es einer Kristallisierungsbehandlung unter-
worfen. Die bevorzugt verwendete Glaskeramik hat bei in Kraftfahrzeugen verwendeten Kolben einen Erweichungspunkt
von über 600° C und eine Biegefestigkeit von über 10 kg/mm2.
Der Kolbengrundkorper 2 besteht aus einem Leichtmetall, wie Aluminium oder einer leichten Legierung, wie einer Aluminiumlegierung. Nach dem Gießen des Kolbengrundkörpers 2 in einer Form werden die Umfangsflächen und die Nuten zum Einpassen der Kolbenringe fertig und feinbearbeitet.
Der Kolbengrundkorper 2 besteht aus einem Leichtmetall, wie Aluminium oder einer leichten Legierung, wie einer Aluminiumlegierung. Nach dem Gießen des Kolbengrundkörpers 2 in einer Form werden die Umfangsflächen und die Nuten zum Einpassen der Kolbenringe fertig und feinbearbeitet.
J5 Am Umfang des Kolbenkopfes 1 ist ein ringförmiger
Vorsprung la vorgesehen, der sich axial zum Kolbengrundkorper 2 hin erstreckt und dessen unteres Ende
einen Ansatz oder Flansch 3a bildet, der sich radial und nach innen des Kolbens erstreckt. Die obere Fläche des
Flansches 3a ist im wesentlichen eben und bildet einen Teil einer Verbindungsvorrichtung 3. An der Grundseite
des Inneren des Kolbenkopfes 1, die dem Flansch 3a abgewandt ist, ist ein sich nach unten erstreckender
Vorsprung oder Ansatz 3b (Fig. I und 3) vorgesehen.
der sich über eine bestimmte Länge in Umfangsriehtung des Kolbens erstreckt und der ebenfalls einen Teil bzw.
ein Element der Verbindungsvorrichtung 3 bildet. An der Unterseite des Ansatzes 3b ist eine geneigte Fläche
3c vorgesehen, die in Umfangsriehtung allmählich ansteigt oder abfällt. Die Neigung der geneigten Fläche 3c
ist vorzugsweise gering und ihre Stirnfläche ist bevorzugt breit. Es ist notwendig, daß mindestens ein Ansatz
3b und eine geneigte Fläche 3c in Umfangsriehtung des Kolbens vorgesehen ist; es können jedoch auch mehrere
davon vorgesehen sein.
Der Kolbengrundkorper 2 ist ein zylindrisches Teil mit einem integralen oberen Ende, das eine sich axial
erstreckende, ringförmige Nut 2a aufweist, die den Vorsprung la des Kolbenkopfes 1 aufnimmt. Eine ringför-
bo inigc radiale Nut 2b ist an der Innenseite der Wand der
axialen Nut 2a angeordnet, wobei sie sich in die Nut 2a öffnet. Die radiale Nut 2b bildet ein eingerücktes aufnehmendes
Teil der Verbindungsvorrichtung 3.
In der radialen Nut 2b ist ein geschlitzter bzw. offener
In der radialen Nut 2b ist ein geschlitzter bzw. offener
b5 Ring 4 mit einer solchen vertikalen Höhe angeordnet,
daß er ganz eng und fest in die radiale Nut 2b eingepaßt ist. Der Ring 4 (Fig. 2) bildet ein eingreifendes Teil
einer zusammenwirkenden VerbindunKsvorrichtune
und besitzt einen Bereich, der sich in die Nut 2a hinerstreckt.
Damit der Ring 4 in die Nut 2b passend eingesetzt werden kann, ist er in der Form eines geschlitzten
Ringes konstruiert. Selbstverständlich kann der Ring 4 auch aus einer Vielzahl von Stücken zusammengesetzt
sein, die sich in Umfangsrichtung des Kolbens erstrekken. Auf dem außerhalb der Nut 2b befindlichen Teil des
geschlitzten Ringes 4 ist eine geneigte bzw. Schrägfläche 4a vorgesehen, die mit der geneigten bzw. Schrägfläche
3c des Ansatzes 36 des Kolbenkopfcs 1 über einen gewissen Bereich in Umfangsrichtung in Eingriff
bringbar ist, wobei die geneigten Flächen 3c und 4a denselben Neigungswinkel besitzen.
Beim Zusammenbauen des Kolbens wird zuerst der geschlitzte Ring 4 in die Nut 20 des Koibengrundkörpers
2 eingepaßt und dann radial zusammengedrückt. Dann wird der Vorsprung la des Kolbenkopfes 1 in die
axiale Nut 2a eingedrückt, so daß die Innenfläche des
Flansches 3a den Ring 4 zusammengedrückt hält. 1st der obere Rand des Flansches 3a unter den unteren Rand
des Ringes 4 gelangt, dann löst bzw. entspannt sich der Ring und der Ring expandiert radial, so daß Kolbenkopf
1 und Kolbengrundkörper 2 miteinander verbunden werden. Daraufhin wird der Kolbenkopf 1 in Umfangsrichtung
relativ zum Kolbengrundkörper 2 gedreht, wodurch sich eine Eingriffsverbindung der beiden geneigten
Flächen 3c und 4a ergibt. Unter gleichzeitigem engen Eingriff des oberen Endes des Flansches 3a mit dem
Boden des Ringes 4 und der Flächen 3cund 4a miteinander
ist der Kolbenkopf 1 mit dem Kolbengrundkörper 2 fest verbunden, wobei in axialer Richtung des Kolbens
kein Spalt besteht.
Der fest verbundene Zustand kann solange aufrecht erhalten werden, wie der Kolbenkopf 1 nicht relativ
zum Kolbengrundkörper 2 in solch einer Richtung gedreht wird, daß die geneigten Flächen 3c und 4a voneinander
getrennt werden. Um das Aufrechterhalten dieses Zustandes zu garantieren, ist eine die Drehbewegung
sperrende bzw. verriegelnde Verdrehsicherung 6 vorgesehen, die ein Verdrehen verhindert. Die Verdrehsicherung
6 nach der Erfindung ist dadurch gebildet, daß der Kolbengrundkörper 2 entweder in kaltem oder warmen
Zustand mit seinem Vorsprung 6b in einen Hohlraum 6a des Kolbenkopfes 1 nach dem Zusammenbau dringt.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Abstandhalter 5 zwischen dem Kolbenkopf 1 und dem Kolbengrundkörper
2 zum Zwecke der Einstellung des axialen Eingriffs zwischen den Zwischenverbindungsbercichen von
Kolbenkopf, geschütztem Ring und Koibengrundkörper und zum Vorsehen einer federnden bzw. Kissenwirkung
zwischen ihnen angeordnet. Der Abstandhalter 5 ist aus Kupfer hergestellt.
Beim obengenannten Beispiel ist der Fall dargestellt, bei dem die Verbindungsvorrichtung 3 am Kolbenkopf
1 und die damit zusammenwirkende Verbindungsvorrichtung in Form des geschlitzten Ringes 4 getrennt
davon am Kolbengrundkörper vorgesehen ist. Es versteht sich jedoch, daß der geschlitzte Ring 4 auch am
Kolbenkopf 1 und die Verbindungsvorrichtung 3 am Kolbengrundkörper 2 vorgesehen sein kann.
Bei obengenannten Ausführungsbeispiel ist der geschlitzte
Ring 4 als vom Kolbenkopf I oder vom Kolbengrundkörper 2 getrenntes Teil bzw. Element vorgesehen,
jedoch kann er auch integral mit dem Kolbcnkopf 1 und dem Kolbengrundkörper 2 gebildet sein. Im
letzteren Fall sollten aus Gründen des Zusammensetzens die Zwischenverbindungsflächen bis zu einem gewissen
Grade in Umfangsrichtung fein bearbeitet werden. Dann wird, nachdem die beiden Teile ohne Berührung
miteinander provisorisch zusammengesetzt sind, der Kolbenkopf 1 relativ zum Kolbengrundkörper 2
gedreht, wodurch ein Ineinandergreifen erreicht und Kolbenkopf und Kolbengrundkörper miteinander fest
verbunden werden. Dies ist in F i g. 3 dargestellt.
In F i g. 3 sind geneigte Gewindegänge 3a, wie man sie
oft bei Glasgefäßdeckel sieht, um den Vorsprung la des
Kolbenkopfes 1 herum angeordnet. Dabei sind die Gewindegänge über Längen 5 unterbrochen. Die Verdrehsicherung
und andere Teile sind in derselben Weise, wie oben beschrieben, aufgebaut.
Auf dem Kolbengrundkörper sind Gewindegänge 36 vorgesehen, in die die Gewindegänge 3a eingreifen.
Dort wo die Gewindegänge am Kolbenkopf 1 die Form der unterbrochenen Gewindegänge 3a annehmen, sind
im Kolbengrundkörper 2 vertikale Schlitze mit einer Breite, die gleich der Länge der Gewindegänge 3a ist,
und einer Tiefe, die gleich der radialen Höhe der Gewindegänge 3a ist, vorgesehen. Die Bereiche zwischen den
Schlitzen ragen in die Bereiche 5 und besitzen dazu passende Gewindegänge 3b.
Das Schraubgewinde muß nicht immer scharfkantig sein; eine geneigte Fläche kann ausreichen. Das Gewinde
kann als eingreifendes Verbindungsmittel mit teilweiser Neigung betrachtet werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
- Patentansprüche:!. Zusammengesetzter Kolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Kolbengrundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Kolbenkopf aus keramischem Material und Vorrichtungen zum Verbinden von Kolbengrundkörper und Kolbenkopf sowie zur Sicherung gegen Verdrehung des Kolbenkopfes gegen- über dem Kolbengrundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbengrundkörper (2) an seinem dem Kolbenkopf (1) zugewandten Ende eine sich axial erstreckende, zu diesem Ende hin offene, ringförmige Nut (2a) und der bekanntermaßen das Ende des Kolbengrundkörpers (2) überdeckende Kolbevikopf (1) einen in die Nut (2a) ragenden, sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung (\a) aufweist, daß im Bereich einer Flanke der Nut (2a) eine weitere sich radial zur Kolbenachse erstreckende und zur Nut (2a)h\n offene Nut (2b) vorgesehen ist, in der ein geschlitzter Ring (4) einlegbar ist, der sich in eine radiale Ausnehmung (\b). die seitlich im ringförmigen Vorsprung (la,} liegt, hineinerstreckl, wobei am geschlitzten Ring (4) und am ringförmigen Vorsprung (la,} im Bereich der Ausnehmung (\b) vorspringende Elemente (4b, 3b) angeordnet sind, die jeweils eine gleichartig geneigte Fläche (4a, 3c) aufweisen, welche nach Zusammensetzen und gegeneinander Drehen von Kolbenkopf (1) und KoI- bengrundkörper (2) zur Anlage kommen, und daß die Verdrehsicherung (6) aus mindestens einem Hohlraum (6a) im Kolbenkopf und einem in den Hohlraum passenden Vorsprung (6b) am Kolbengrundkörper (2) besteht.
- 2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geneigten Flächen (4a, 3c) sich nur teilweise in Umfangsrichtung erstrecken.
- 3. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem oberen Ende des Kolbengrundkörpers (2) und dem unteren Ende des Kolbenkopfes (1) ein Abslandhalter (5) angeordnet ist, der vorzugsweise aus Kupfer ist.45
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- 1979-05-03 US US06/035,682 patent/US4343229A/en not_active Expired - Lifetime
- 1979-06-13 DE DE2923934A patent/DE2923934C2/de not_active Expired
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