DE3722437C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenbaugruppe für eine
Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Art.
Eine solche, aus der DE 34 46 393 A1 bekannte
Kolbenbaugruppe umfaßt einen aus einem Leichtmetall
hergestellten Kolben mit gegenüberliegenden
Bolzenlagerungen. Der Kolbenbolzen besteht aus einem
Keramikmaterial und ist in den Bolzenlageraugen angeordneten
Einsätzen gelagert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der
Einsätze liegt zwischen dem des Kolbenwerkstoffes und des
keramischen Kolbenbolzenwerkstoffes. Die Einsätze sind als
Buchsen ausgebildet, die in die Kolbenbolzenaugen eingepreßt
oder eingeschrumpft sind. Durch die bekannte Anordnung wird
erreicht, daß der Abstand zwischen Kolbenbolzenbuchse und
Kolbenbolzen auf ein Minimum bei einer bestimmten
Betriebstemperatur herabgesetzt wird, was zu geringerer
Lärmemission sowie zur Gewichtsreduzierung der Baugruppe
beiträgt. Die Einsätze sind eingeschrumpft und tragen die
Axialversicherungsringe für die Axialführung des Kolbenbolzens,
so daß ein Lockern der Einsätze nicht auszuschließen ist.
Durch die Funktionsweise einer Brennkraftmaschine bedingt,
wird der Kolbenboden am meisten thermisch belastet, wobei
die Wärmeleitung über den Kolbenmantel am Ende des Kolbens
geleitet wird. Dadurch besteht die Gefahr der Verformung des
Kolbens, wobei der Kolben am Kolbenboden den größten
Durchmesser aufweist und sich in Richtung der
Kolbenbolzenlagerstelle verjüngt. Durch Verkleinerung der
Berührungsfläche zwischen Kolbenbolzen und
Kolbenbolzenlagerung in Verbindung mit dem aus dem
keramischen Material gefertigten Kolbenbolzen entsteht
dadurch ein verstärkter Verschleiß.
Aus der DE-PS 8 30 587 ist eine Kolbenbaugruppe bekannt, bei
der der Kolbenboden über Stege mit einer den Kolbenbolzen
aufnehmenden Lagerstelle verbunden ist. Die Stege stehen
jedoch nicht in Verbindung mit der Mantelwandung des
Kolbens.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Kolbenbaugruppe so zu verbessern, daß bei
geringerem Verschleiß zwischen Kolbenbolzen und dessen
Lagerung eine längere Standzeit des Kolbens erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsgemäß sind die Einsätze an den Lagerstellen für
den Kolbenbolzen mit in einer Mantelwandung des Kolbens
eingebetteten, sich in Richtung des Kolbenbodens
erstreckenden Schenkeln ausgebildet, die mit dem Kolbenboden
oder einem im Kolbenbodenbereich befindlichen Ring ein
einstückiges Bauelement bilden. Da die Lagerstellen durch
die Wandung eingebettet bis zum Kolbenboden geführt sind und
dort miteinander verbunden sind, wird die Gefahr der
Vergrößerung des Durchmessers des Kolbens am Kolbenboden an
dieser thermisch belasteten Stelle durch den geringeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Lagermaterials
eingeschränkt. Zusätzlich besteht der Vorteil, daß die
Lagerstelle aufgrund des geringeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten in seinem Toleranzbereich
eingeschränkt werden kann, wodurch Schwingungen und somit
Verschleiß vermindert werden können. Weiterhin ergibt sich
auf vorteilhafte Weise durch die erfindungsgemäße Anordnung
auch eine Sicherung der auf Drehung beanspruchten Einsätze
gegen radiale Mitnahme bzw. Lockerung.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1A eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Kolbenbolzen
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 1B eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 1B-1B in
Fig. 1A,
Fig. 2A eine Schnittansicht eines Kolbens mit einem Koblenbolzen
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 2B eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 2B-2B in
Fig. 2A.
Zu einer in den Fig. 1A und 1B dargestellten ersten Ausführungsform der
Erfindung gehören ein Kolbenbolzen 20, ein Kolben 41 und
zwischen den Kolben 41 und den Kolbenbolzen 20 eingesetzte
Einsätze 46 für die Aufnahme der gegenüberliegenden
Endstücke des Kolbenbolzens 20.
Der Kolben 41 ist von der in einem Vierzylindermotor mit
einem Hubraum von 2 l zu verwendenden Art und aus einer
Aluminiumlegierung gefertigt, welche einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20 × 10⁶ 1/°C hat. Der Kolben
41 hat Bolzenaugen mit jeweils einer Lagerbohrung von 20 mm
Länge. Der Kolbenbolzen 20 ist in den Lagerbohrungen der
Bolzenaugen des Kolbens 41 und in einem Pleuelauge einer
Pleuelstange gelagert, um diese mit dem Kolben 41 zu
verbinden. Der Kolbenbolzen 20 hat einen Durchmesser von 18
mm und ist aus Siliziumnitrid gefertigt, welches einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten α = 3,2 × 10-6 1/°C hat.
Auf besonders vorteilhafte Weise sind die Einsätze 46
einstückig mit dem Kolbenboden 41b ausgebildet und aus einer
mit Tonerdefasern in einem Volumenteil Vf=9% verstärkten
Aluminiumlegierung gefertigt, welche einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten α=14 × 10-6 1/°C hat. Die
Einsätze 46 sind nach dem sogenannten
Schmelzschmiedeverfahren gefertigt, bei welchem die
Metallschmelze in eine Form gegossen und unter hohem Druck
darin zum Erstarren gebracht wird.
Der Kolben 41 besteht also hier aus zwei aus verschiedenen
Werkstoffen gebildeten Teilen, nämlich einem ersten Teil,
welches den Kolbenboden 41b und zwei parallel zueinander
abwärts daran hervorstehende Schenkel 41d umfaßt, und einem
becherförmigen zweiten Teil, an dessen Stirnwand 41e der
Kolbenboden 41b anliegt und in dessen Mantelwandung 41f die
Schenkel 41d eingebettet sind. Die Einsätze 46 sind dabei
einstückig mit den unteren Endbereichen der Schenkel 41d
ausgebildet. Eine axiale Sicherung der Einsätze 46 samt
Mantelwandung erfolgt über Seegerringe 25, die jeweils in einer
in der Lagerbohrung angeordneten Ringnut sitzen.
In er in Fig. 2A und 2B dargestellten zweiten
Ausführungsform sind die Einsätze 56 einstückig mit einem Ring
51c des Kolbens 51 aus einer als "Niresist"
bekannten Legierung gefertigt, welche eine Rockwellhärte HRC
=35 und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten α=17 × 10-6 1/°C
hat. Dabei sind die Einsätze 56 wiederum nach dem
Schmelzschmiedeverfahren gefertigt.
Der Kolben 51 besteht hier wiederum aus zwei Teilen, nämlich
einem ersten Teil mit einem das vorstehend erwähnte
Umfangswandstück des Kolbenbodens bildenden Ring 51c und
zwei parallel zueinander abwärts daran hervorstehenden
Schenkeln 51d, und einem im wesentlichen becherförmigen
zweiten Teil, dessen Stirnwand als Kolbenboden 51b von dem Ring 51c umgeben
ist und in dessen Mantelwandung 51f die Schenkel 51d
eingebettet sind. Die Einsätze 56 sind einstückig mit den
unteren Endstücken der Schenkel 51d ausgebildet.
Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, sind in den
verschiedenen Ausführungsformen zwischen den Enden des
Kolbenbolzens und den Bolzenaugen des Kolbens Einsätze
eingesetzt, deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen dem des
Werkstoffs des Kolbens und dem des Werkstoffs für den
Kolbenbolzen liegt. Dabei ist festzuhalten, daß die Einsätze
nicht aus einem einfachen Metall gefertigt zu sein brauchen,
sie können vielmehr auch aus einem Verbundwerkstoff auf der
Basis eines porösen Metallgefüges oder einer mit
Tonerdefasern, Tonerde-Siliziumfasern, Borfasern,
SiC-beschichteten Borfasern und/oder Tonerde-Whiskers
verstärkten Metallegierung gefertigt werden. Ferner können
die Einsätze auch aus dem Metall gefertigt sein, welches
eine Rockwellhärte von wenigstens HRC=30 aufweist, z. B.
aus einer als "Niresist" bezeichneten Legierung oder aus einem
einen hohen Gehalt an Kohlenstoff und Chrom aufweisenden
Stahl, wie er beispielsweise für Lager verwendet wird.
Claims (3)
1. Kolbenbaugruppe für eine Brennkraftmaschine, mit einem
aus Leichtmetall gefertigten Kolben, mit einander gegenüberliegenden
Bolzenlageraugen, einem aus Keramikmaterial bestehenden
Kolbenbolzen und in den Bolzenlageraugen angeordneten
metallenen Einsätzen zur Lagerung des Kolbenbolzens, wobei
der Wärmeausdehnungskoeffizient der Einsätze zwischen dem
des Kolbenwerkstoffes und des keramischen Kolbenbolzenwerkstoffes
liegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einsätze (46; 56) an den Lagerstellen für den Kolbenbolzen
(20) mit in einer Mantelwandung (41; 51f) des
Kolbens (41; 51) eingebetteten, sich in Richtung des Kolbenbodens
(41b; 51b) erstreckenden Schenkeln (41d; 51d) ausgebildet
sind, die mit dem Kolbenboden (41b) oder einem im Kolbenbodenbereich
befindlichen Ring (51c) ein einstückiges Bauteil
bilden.
2. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mantelwandung (41f) des Kolbens (41) aus einer Aluminiumlegierung
mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20
× 10-6 1/°C gefertigt ist, daß der Kolbenbolzen (20) aus
Siliziumnitrid mit einem Wärmeaussdehnungskoeffizienten α=3,2
× 10-6 1/°C gefertigt ist und daß der Kolbenboden (41b) mit Schenkeln
(41d) des Kolbens (41) und die Einsätze (46) aus einer
mit Tonerdefasern in einem Volumenanteil Vf=9% verstärkten
Aluminiumlegierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten α=
14 × 10-6 1/°C hergestellt sind.
3. Kolbenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenboden (51b) und die Mantelwandung (51f) des Kolbens (51)
aus einer Aluminiumlegierung mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten α=20 × 10-6 1/°C geformt ist,
daß der Kolbenbolzen (20) aus Siliziumnitrid mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten α=3,2 × 10-6 1/°C gefertigt ist
und daß der Ring (51c) und die Schenkel (51d) des Kolbens (51) und
die Einsätze (56) aus einer "Niresist"-Legierung mit einem
Wärmeausdehnungskoeffizienten α=17 × 10-6 1/°C hergestellt
sind.
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