DE3633134A1 - Gebauter kolben fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gebauten Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörper und einem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenboden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei derartigen, aus der DE-AS 12 69 414 bekannten Kolben treten bei hohen Belastungen, insbesondere beim Anfahren des Motors, infolge der thermischen und mechanischen Beanspruchungen und der daraus resultierenden Verformung des Kolbenbodens Reibungsverschleißerscheinungen an den tragenden Flächen des Kolbenkörpers auf. Die sich aus Biegung und Wärmedehnung ergebende Relativbewegung der beiden Kolbenteile führt zu Materialverlusten an den tragenden Flächen des Kolbenkörpers und damit zu einer Verkürzung der Standzeit des Kolbens.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzubilden, daß Verschleißerscheinungen vermindert werden und die tragenden Flächen des Kolbenkörpers auch höheren Zünddrücken standhalten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die tragenden Flächen des Kolbenkörpers von einer dünnen, glatten und harten Schicht aus einem hochverschleißfesten Material bedeckt sind.

Durch eine solche Schicht aus hochverschleißfestem Material wird der weichere Grundwerkstoff des Kolbenkörpers wirksam vor einem Materialabtrag durch Reibkorrosion geschützt. Durch ihre geringe Dicke und ihre eigene elastische Verformung ist diese Schicht in der Lage, die aufgrund der in der Praxis unvermeidbaren Linienberührung mit dem Tragbund des Kolbenbodens auftretenden Spitzendrücke aufzunehmen und auf größere Flächenanteile der Tragrippe des Kolbenkörpers zu verteilen.

Es ist zwar aus der EU-PS 00 07 661 bekannt, zwischen einem aus Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenboden und einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörper einen zusätzlichen eisernen Zwischenring vorzusehen und die gegeneinanderliegenden Auflageflächen von Abstützbund am Kolbenboden und dem Zwischenring zu härten, zu verchromen, zu nitrieren oder in anderer Weise zu behandeln, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß Gleitbewegungen zwischen dem Abstützbund und dem Zwischenring auftreten sollen. Der Zwischenring kann jedoch nicht das Problem des Reibungsverschleißes an seiner Unterseite bei der Berührung mit der relativ weichen Tragrippe des Kolbenkörpers lösen. Der erfindungsgemäße Kolben ist außerdem durch den Verzicht auf einen separaten Zwischenring einfacher herzustellen und weist eine geringere Masse auf.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.

Ein Kolben 1 setzt sich aus einem aus Leichtmetall gefertigten Kolbenkörper 2 und einem an seiner Oberseite mittels nicht dargestellter Spannschrauben befestigten Kolbenboden 3 zusammen. Der aus einem Eisenwerkstoff hergestellte Kolbenboden weist an seiner dem Brennraum zugewandten Oberseite 4 eine Mulde 5 auf. An seiner Innenseite 6 ist im Zentralbereich ein kuppelartiger erster Hohlraum 7 und im Außenbereich ein ringförmiger zweiter Hohlraum 8 eingearbeitet, der nach außen vom Feuersteg 9 des Kolbenbodens 3 begrenzt wird.

Zwischen erstem Hohlraum 7 und zweitem Hohlraum 8 verläuft an der Innenseite 6 des Kolbenbodens 3 ein ringförmiger Tragbund 10, der mit seiner ringförmigen Stirnfläche 11 auf einer an der Oberseite des Kolbenkörpers 2 angeordneten Ringrippe 12 aufliegt. Die tragende Fläche 13 der Ringrippe 12 ist entweder parallel zur Stirnfläche 11 angeordnet oder in der bevorzugten Ausführungsform schwach konisch mit einem Winkel A gegenüber einer Horizontalen von etwa 10′ gestaltet, so daß sich im kalten Zustand bei der Montage des Kolbens zwischen ihr und der Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 ein sich radial nach außen erweiternder Spalt 14 ergibt.

Die aufgrund der gewählten Schnittlage nicht dargestellten Spannschrauben werden von unten durch im Kolbenkörper 2 vorhandene Durchgangslöcher in Sacklochgewinde eingeschraubt, die parallel zur Kolbenachse auf einem etwa in der Mitte des Tragbundes 10 liegenden Lochkreis von der Innenseite 6 her in den Kolbenboden 3 eingearbeitet sind. Durch die Vorspannung der Spannschrauben wird der Tragbund 10 am äußeren Rand seiner Stirnfläche 11 nach unten gezogen, wodurch der Spalt 14 verschwindet und die Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 mit der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12 in Berührung gerät. Auch bei hohem Fertigungsaufwand für die aneinanderliegenden Flächen läßt sich eine vollständige Flächenberührung in allen Betriebszuständen praktisch nicht erreichen.

Bei Erwärmung des Kolbenbodens 3 beim Anfahren der Brennkraftmaschine tritt durch die stärkere Erwärmung der Oberseite 4 gegenüber der Innenseite 6 eine Aufwölbung des Kolbenbodens 3 auf. Durch die unterschiedliche Wärmedehnung von Kolbenboden 3 und Kolbenkörper 2 und die außerdem periodisch auf die Oberseite 4 des Kolbenbodens 3 einwirkenden Gaskräfte kommt es zu einer Relativbewegung zwischen der Stirnfläche 11 des Tragbundes 10 und der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12. Eine auf der tragenden Fläche 13 aufgetragene Schicht 15 aus hochverschleißfestem Material verhindert dabei, daß es am Leichtmetall des Kolbenkörpers 2 zu den eingangs beschriebenen Materialverlusten kommt. Die etwa 0,15 mm starke Schicht 15 wirkt in Verbindung mit dem Leichtmetallwerkstoff als elastische Zwischenlage. Dadurch werden die Druckspitzen , die an den auch bei genauester Fertigung nicht zu vermeidenden erhabenen Stellen auftreten, auf einen größeren Anteil der tragenden Fläche 13 der Ringrippe 12 weitergegeben, womit eine Reduzierung der spezifischen Flächenpressung erreicht wird. Diese vorteilhafte Druckverteilung verhindert auch die sich sonst bei der Paarung zweier harter Werkstoffe bei bestimmten Betriebszuständen aufgrund der Verformung des Kolbenbodens 3 einstellende Linienberührung.

Bei einer mittleren Rauhtiefe von etwa 0,001 mm und einer Härte von 1100 HV weist die Schicht 15 hervorragende Gleiteigenschaften auf und wird durch die hohen Drücke selbst kaum in Mitleidenschaft gezogen.

Als Material für die hochverschleißfeste Schicht wird eine Legierung aus 87% Wolframkarbid und 13% Kobalt verwendet. Alternativ dazu kann auch eine Legierung aus 55% Kupfer, 42% Nickel und 3% Indium verwendet werden, ebenso auch ein Keramikmaterial aus 99% Aluminiumoxyd (Al₂O₃). Diese Aufzählung soll nur beispielhaft und keineswegs vollständig sein.

Die Schicht 15 wird vorzugsweise nach dem Detonationsspritzverfahren aufgetragen, da dieses eine sehr gute Haftung am Grundwerkstoff und sehr glatte Oberflächen garantiert.

Falls sich der Kolbenboden 3 - wie im rechten Teil der Figur angedeutet - außer über den Tragbund 10 auch mit der Unterseite des Kolbenhemdes 16 am Kolbenkörper abstützt, kann die zusätzlich tragende Fläche an der Oberseite 17 der Seitenwand 18 des Kolbenkörpers 2 ebenfalls mit einer hochverschleißfesten Schicht 19 versehen sein, die hinsichtlich ihrer Dicke, Rauhigkeit, Härte und ihres Materials der Schicht 15 gleicht.

Die Erfindung kann ebenso bei Kolben eingesetzt werden, deren Kolbenkörper nicht aus Leichtmetall, sondern einem gegenüber dem Werkstoff des Kolbenbodens weicheren Eisenmaterial bestehen.

Claims (9)

1. Gebauter Kolben für Brennkraftmaschinen mit einem aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörper und einem aus einem Eisenwerkstoff bestehenden Kolbenboden, der sich mit der Stirnfläche eines an seiner Innenseite angeordneten ringförmigen Tragbundes auf einer an der Oberseite des Kolbenkörpers angeordneten ringförmigen Tragrippe abstützt und der mittels mehrerer parallel zur Kolbenachse im Bereich der Ringrippe angeordneter Schrauben mit dem Kolbenkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Fläche (13) der Ringrippe (12) des Kolbenkörpers (2) von einer dünnen, glatten und harten Schicht (15) aus einem hochverschleißfesten Material bedeckt ist.

2. Gebauter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (3) sich zusätzlich mit der unteren ringförmigen Stirnfläche des Kolbenhemdes (16) auf der oberen ringförmigen Stirnfläche der Seitenwand (18) des Kolbenkörpers (2) abstützt und daß letztere ebenfalls von einer dünnen, glatten und harten Schicht (19) aus hochverschleißfestem Material bedeckt ist.

3. Gebauter Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht (15, 19) etwa 0,15 mm beträgt.

4. Gebauter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Rauhtiefe der Schicht (15, 19) etwa 0,001 mm beträgt.

5. Gebauter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Schicht (15, 19) etwa 1100 HV beträgt.

6. Gebauter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Schicht (15, 19) eine Legierung aus 87% Wolframkarbid und 13% Kobalt verwendet wird.

7. Gebauter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Schicht (15, 19) eine Legierung aus 55% Kupfer, 42% Nickel und 3% Indium verwendet wird.

8. Gebauter Kolben nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schicht (15, 19) ein Keramikmaterial mit 99% Aluminiumoxyd (Al₂O₃) verwendet wird.

9. Gebauter Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (15, 19) mittels Detonationsspritzverfahren aufgetragen ist.