DE1184569B

DE1184569B - Leichtmetallkolben

Info

Publication number: DE1184569B
Application number: DEM56017A
Authority: DE
Inventors: Rudolph Daub
Original assignee: Mahle GmbH
Current assignee: Mahle GmbH
Priority date: 1963-03-07
Filing date: 1963-03-07
Publication date: 1964-12-31
Also published as: US3512791A

Description

Leichtmetallkolben Die Erfindung bezieht sich auf einen insbesondere für Brennkraftmaschinen bestimmten Leichtmetallkolben mit Kolbenringnuten, deren Flanken durch eingegossene Einlagen aus einem biegsamen aber härteren Metall, z. B. aus Stahlblech oder aus Kugelgraphit-Gußeisen bewehrt sind, welche einen mit dem äußeren Kolbenrand bündigen Ringteil aufweisen, dessen radiale Tiefe kleiner ist als die Ringnutentiefe, und der durch bis in die hinter den Ringnutengrund hineinragende schwalbenschwanzförmige Stege an mehreren über den Umfang verteilten Stellen formschlüssig im Leichtmetallkolbenkörper verankert ist.
Bei einem bekannten derartigen Kolben wird angestrebt, daß der äußere Ringteil der Einlagen den beim Schrumpfen und Ausdehnen des Kolbenkörpers infolge von Temperaturänderungen auftretenden Bewegungen der im Kolbenkörper vollständig eingebetteten Stege durch elastische Änderung seiner in Umfangsrichtung gemessenen Länge zu folgen vermag. Um dieses Ziel zu erreichen ist es erforderlich, die Stege, die ja alle dabei auftretenden Reaktionskräfte aufnehmen müssen, sehr stark auszubilden, und vor allem sind die Verankerungen der Stege im Kolbenwerkstoff durch diese Kräfte sehr stark beansprucht. Es ist ferner erforderlich, eine Vielzahl von Stegen verhältnismäßig dicht nebeneinander anzuordnen, damit der Schlankheitsgrad der zwischen ihnen liegenden Ringteile klein genug bleibt, um ein Ausknicken oder Ausbeulen dieser Ringteile auszuschließen.
Die Erfindung geht davon aus, daß zwar ein Ausknicken oder Ausbeulen des äußeren Ringteils der Einlagen in axialer Richtung auf alle Fälle verhindert werden muß, weil dadurch die Höhe der Ringnuten in unzulässiger Weise verändert würde, daß aber sonst eine Anpassung des äußeren Ringes an das Wärmeausdehnungsverhalten des Kolbenkörpers und der in ihn eingebetteten Stege durch Biegung einer solchen durch elastische Stauchung und Strekkung vorzuziehen wäre, weil sie mit wesentlich kleineren Kräften zu bewirken ist und daher die Stege und ihre Verankerungen weit weniger beansprucht.
Um nun eine unschädliche Biegung der zwischen den einzelnen Stegen sich erstreckenden Bögen der äußeren Ringteile der Einlagen in radialer Richtung zu ermöglichen, dabei aber ein schädliches Ausknicken oder Ausbeulen in axialer Richtung trotzdem zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Kolben der eingangs erwähnten Art mit dem äußeren Ringteil jeder Einlage zwischen je zwei schwalbenschwanzförmigen Verankerungs-Stegen mindestens je einen Steg zu verbinden, der in an sich bekannter Weise keine Hinterschneidungen aufweist und infolgedessen in radialer Richtung verschiebbar ist und der sich vorzugsweise nur um wenige Millimeter hinter den Nütengrund hinaus erstreckt.
Zum Stand der Technik ist hier nachzutragen, daß Leichtmetallkolben mit ausschließlich radiale, keine Hinterschneidungen aufweisende Stege tragenden massiven Ringträgern bekannt sind. Dabei dienen die Stege lediglich als Sicherung gegen Verdrehung des Ringträgers gegenüber dem Kolbenkörper und vermögen eine darüber hinausgehende Wirkung nicht auszuüben. Der vorstehend erläuterte technische Fortschritt beruht demgegenüber auf der wechselweisen Anordnung von radialen -Stegen mit und ohne Hinterschneidungen bei der eingangs erwähnten, die Ringnutenflanken des Kolbens nur teilweise bedekkenden Ringträger-Leichtbauart.
Die Erfindung ist an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch die bewehrte Nut eines erfindungsgemäßen Kolbens; F i g. 2, 3 und 4 stellen Ausschnitte nach den Linien II-II, IH-III und IV-IV in F i g. 1 dar; F i g. 5 zeigt in einem Ausschnitt entsprechend dem gemäß F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ringnutenbewehrung aus zwei aufeinanderliegenden Einlagen gebildet ist, und F i g. 6 zeigt einen entsprechenden Ausschnitt aus einem Kolben, bei dem nur die Oberflanke der ersten Ringnut durch eine Einlage bewehrt ist.
Nach den F i g: 1 bis 4 dient zur Bewehrung beider Flanken der obersten Ringnut 1 eines Leichtmetallkolbens 2 eine im ganzen mit 3 bezeichnete Einlage, die durch Umgießen in den Leichtmetallkolbenkörper eingebracht ist. Die Einlage weist radiale schwalbenschwanzförmige Stege 31 auf, die -unter sich durch zusammen einen geschlossenen Ring bildende Bogenstücke 32 verbunden sind. Der Innendurchmesser des durch diese Bogenstücke gebildeten Ringes ist größer als der Nutengrunddurchmesser der Ringnut 1. Der Außendurchmesser ist zunächst wenig größer als der Durchmesser des Kolbens z. Bei der Bearbeitung des Kolbens fällt jedoch der Teil zwischen den Konturen 33 und 34 weg. Außenkontur ist dann die mit 34 bezeichnete Fläche, welche mit dem äußeren Kolbenrand bündig ist. Zwischen den Stegen 31 sind weitere radiale Stege 36 vorgesehen, die jedoch keine Hinterschneidungen aufweisen und die sich auch nur um wenige Millimeter hinter den Nutengrund hinaus erstrecken. Diese Stege lassen Verschiebungen in radialer Richtung zu, sie bilden jedoch, ' wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, Stützen, welche die nach dem Einstechen der Ringnut 1 durch diese voneinander getrennten Teile der Bogenstücke 32 in axialer Richtung gegeneinander abstützen und die außerdem geeignet sind, bei der Bearbeitung auftretende tangentiale Kräfte aufzunehmen.
Bei der Herstellung geht man, wie schon gesagt, von einer Einlage aus, deren Außenkontur der strichpunktierten Linie 33 entspricht. Diese Einlage wird vorzugsweise in erwärmtem Zustand in der üblichen Weise in die nicht gezeigte Kokille eingelegt und dort durch Umgießen mit dem Kolbenwerkstoff verbunden. Beim Erkalten des gegossenen Kolbens schwindet der Kolbenwerkstoff stärker als die Einlage. Wegen der schwalbenschwanzartigen Verankerung nehmen die Stege 31 an diesem stärkeren Schwindvorgang teil. Sie werden stärker radial nach innen gezogen, als es der natürlichen Schwindung der Einlage entsprechen würde. Infolgedessen treten in den Bogenteilen 32 Druckspannungen auf, die dazu führen, daß diese Bogenteile sich unter relativer Verstärkung ihrer Krümmung in der in F i g. 1 durch die punktierte Linie 37 angedeuteten Weise elastisch verformen.
Die Verformung ist in F i g. 1 der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. Sie verstärkt sich noch etwas, wenn der Kolben bearbeitet wird, weil dann durch den Wegfall der zwischen den Linien 33 und 34 liegenden Zone und durch das Einstechen der Ringnut 1 der Querschnitt und damit der Verformungswiderstand kleiner wird. Entsprechend klein wird dann auch der Reaktionsdruck auf die Verankerungsstege 31. Daß die Verformung in der gewünschten Richtung und nicht etwa durch Ausknicken oder Ausbeulen in axialer Richtung erfolgt, ist durch die Stützwirkung der Stege 36 gewährleistet. Beim Wiedererwärmen des Kolbens auf Betriebstemperatur bildet sich die gewollte Verformung der Bogenteile 32 wieder ganz oder teilweise zurück, und zwar geschieht auch das ohne schädliche Beanspruchung der Verankerung der Stege 31.
Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 unterscheidet sich von dem nach den F i g. 1 bis 4 nur dadurch, @daß statt einer ungeteilten Einlage zwei sich gegeneinander abstützende Einlagenstücke 3' und 3" mit entsprechenden Bogenteilen 32' und 32", Stützstegen 36' und 36", und nicht gezeichneten Verankerungsstegen vorgesehen sind.
Beim Beispiel nach F i g. 6 ist nur ein Einlagenteil 3' vorgesehen. Die Unterflanke der Ringnut:. bleibt in diesem Falle unbewehrt.

Claims

Patentanspruch: Leichtmetallkolben, insbesondere für Brennkraftmaschinen, mit Kolbenringnuten, deren Flanken durch eingegossene Einlagen aus einem biegsamen Metall von größerer Warmfestigkeit, z. B. aus Stahlblech oder aus Kugelgraphit-Gu& eisen, bewehrt sind, welche einen mit dem äußeren Kolbenrand bündigen Ringteil aufweisen;: dessen radiale Tiefe kleiner ist als die Ringnuten-' tiefe und der durch bis in die hinter dem Riagnutengrund befindlichen Wandteile des Kolbens hineinragende schwalbenschwanzförmige Stege im Kolbenkörper an mehreren über den Umfang verteilten Stellen formschlüssig verankert ist; dadurch gekennzeichnet, daß mit dem äußeren Ringteil (32) jeder Einlage (3) zwischen je zwei schwalbenschwanzförmigen Stegen (31) mindestens je ein radialer Steg (36) verbunden ist, der in an sich bekannter Weise keine Hinter: schneidungen aufweist und sich vorzugsweise nur um wenige Millimeter hinter den Nutengrund hinaus erstreckt. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 124 360.