DE3603038C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen faserverstärkten Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen.

Aus der JP-OS 59-2 29 033 ist bereits ein Leichtmetallkolben bekannt, der ein Wärme­ regelglied aus einer faserverstärkten Lichtmetallegierung aufweist. Durch das Eingießen des Wärmeregelgliedes mit einem gerin­ geren Wärmeausdehnungskoeffizienten wird dann die Wärme­ dehnung des Schulterteils der Kolbenhemdpartie reduziert, wodurch das Spiel des Kolbens in der Buchse im gesamten Betriebstemperaturspektrum der Brennkraftmaschine mög­ lichst klein gehalten werden kann.

Demgegenüber beruht die Gestaltung des Leichtmetallkolbens gemäß DE-PS 6 17 402 auf dem Prinzip, eine durch Schlitze (e) in mehrere Segmente unterteilte Kolbenhemdpartie (c) nur an einzelnen Punkten (g) in radialer Richtung relativ zu den Tragringen (f) zu fixieren und den zwischen den Punkten (g) liegenden Bereichen der Kolbenhemdpartie einen Relativbewegungsspielraum zu geben, wodurch sich der Kol­ ben an die Buchse anschmiegen kann. Aus diesem Grunde wird eine Gleitbewegung zwischen Gleitschuhen (c) und Tragringen (f) ermöglicht.

Aus der DE-PS 9 09 163 ist es bekannt, einen Verstärkungsring eines Kolbens im Innenbereich desselben freizulegen, um den Ring im Kernpaket der Gußkokille besser fixieren zu können und so ein Verschwimmen des Rings während des Gußes zu verhindern.

Die GB-PS 15 98 680 offenbart einen Leichtmetallkolben der zur Beeinflussung des thermischen Expansionsverhaltens einen Verstärkungsring aufweist, der im Bereich der Kolbenbolzenaugen über der Bohrung für den Kolbenbolzen angeordnet ist und in einem zum Kolbenbolzen normalen Umfangsbereich zum Kolbeninneren hin freiliegt.

Bei der Fertigung von aus Leichtmetallegierungen gegossenen Kolben mit Wärmeregelgliedern, die anorgani­ sche Verstärkungsfasern umfassen, bestehen Schwie­ rigkeit darin, daß im Grundmetall des Schulterteils des Kolbenhemds in der Nachbarschaft der Grenzlinie oder des Randes des faserverstärkten Metall­ teils auf Grund des Unterschieds in den linearen Ausdeh­ nungskoeffizienten der Fasern einerseits und der Leichtmetallegierung andererseits Risse gebildet werden. Beispielsweise liegt der lineare Ausdehnungskoeffizient einer Al-Legierung im Bereich um 20×16^-6/°C, während der von Graphitfasern etwa -1,2×10^-6/°C beträgt. Das bedeutet, daß dann, wenn der Kolben in Abhängigkeit vom Stillsetzen und erneuten Anlassen der Maschine wie­ derholt erhitzt wird und dann wieder abkühlt, das im nicht-faserverstärkten Teil nahe dem faserverstärkten Teil befindliche Matrixmetall in erheblichem Ausmaß einer wiederholten Ausdehnung und Zusammenziehung unter­ liegt, während der innerhalb des faserverstärkten Teils befindliche Grundwerkstoff auf Grund der Hemmung und Bewe­ gungsbeschränkung durch die Verstärkungsfasern von einer derartigen Ausdehnung im wesentlichen verschont und frei bleibt. Das hat zum Ergebnis, daß der Grundwerkstoff im nicht-verstärkten Teil einer hohen mechanischen Beanspru­ chung ausgesetzt ist, die zum Entstehen von Rissen längs der Grenze des faserverstärkten Teils führt, wor­ auf noch unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eingegan­ gen werden wird.

Ein anderes, bei Kolben, die aus Leichtmetallegierungen gefertigt sind und faserverstärkte Wärmeregelglieder haben, auftretendes Problem folgt aus der in jüngerer Zeit erhobenen Forderung nach einer Verminderung der Länge der Kolben in Richtung ihrer Längsachse. Um diese Forderung zu erfüllen, müssen die in den Kolbenbolzen­ naben ausgearbeiteten Kolbenbolzenaugen so nahe wie möglich an der Kolbenhemdschulter angeordnet werden. Das führt gezwungenermaßen dazu, daß das Wärmeregelglied bei der maschinellen Ausarbeitung der Kolbenbolzenaugen an- oder durchgeschnitten wird, so daß die Verstärkungs­ fasern zu den Bolzenaugen hin freiliegen, was die fol­ genden Nachteile zum Ergebnis hat. Ein Nachteil liegt darin, daß, da das faserverstärkte Wärmeregelglied in einem spitzen Winkel ausgeschnitten wird, die Enden (Stirnseiten) des Regelglieds innerhalb der Kolbenbol­ zenaugen in einer vorspringenden oder freitragenden Weise freiliegen, so daß sie scharfe Kanten oder Zacken bilden. Obwohl bekanntlich verstärkende Fasern, wie Graphitfasern, eine hohe Zugfestigkeit gegen eine in ihrer Längsrichtung aufgebrachte Kraft aufweisen, bieten sie dennoch einen nur geringen Widerstand gegen eine Biegebeanspruchung, die in ihrer Querrichtung aufge­ bracht wird. Da auf Grund der im Betrieb der Maschine auftretenden Energiestöße die Kolbenhemdschulter wieder­ holt in der axialen Richtung komprimiert wird, werden Graphitfasern an den freiliegenden Kanten des Wärmeregel­ glieds gebrochen und von der Leichtmetallegierung gelöst. Das führt zum Auftreten von Rissen, die von den gebroche­ nen Kanten ausgehen, und zu einer Verminderung der Stand­ zeit des Kolbens.

Ein zweiter Nachteil ist in den Schwierigkeiten bei der maschinellen Bearbeitung der Kolbenbolzenaugen zu sehen. Da diese Bolzenaugen dazu bestimmt sind, mit den Kolben­ bolzen in Gleitanlage zu sein, müssen die Innenflächen der Bohrungen so bearbeitet werden, daß sie eine bestimm­ te Oberflächenrauhheit oder -güte besitzen. Zu diesem Zweck wird nach dem Bohren der Bolzenaugen durch die Kolbenbolzennaben die Bohrungsfläche einem Schleifvor­ gang unterworfen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es schwierig ist, die gewünschte Oberflächengüte zu erlangen, wenn die Bolzenaugen das faserverstärkte Wärmeregelglied schneiden oder durchdringen, weil eine maschinelle Bearbeitung der Graphitfasern nicht ausführ­ bar und möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leichtmetallkolben zu schaffen, bei dem die Wärmedehnungen im Schulterbereich des Kolbenhemdes über eine hohe Standzeit gut unter Kontrolle gehalten werden.

Die Aufgabe wird anmeldungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Leichtmetallkolben hat ein ring­ förmiges Wärmeregelglied, das innerhalb und längs des Schulterteils der Kolbenhemdpartie angeordnet ist. Das Wärmeregelglied umfaßt ein ringförmiges, faserverstärktes Metallteil mit einem Bündel von fortlaufenden, hoch zug­ festen anorganischen Fasern, die als integrierter Bestand­ teil in die Leichtmetallegierung eingeformt oder eingegossen sind. Die Kolbenhemdpartie ist gemäß der Erfindung so ausgestaltet, daß - mit Ausnahme der Berei­ che der Kolbenbolzennaben - ein wesentlicher Teil des Innenumfangs des Wärmeregelglieds radial einwärts zum Innenraum der Kolbenhemdpartie oder des Kolbenschafts hin freiliegt.

Bei einer solchen Anordnung und Ausbildung ist innerhalb des Wärmeregelglieds in dessen umlaufenden Bereichen im wesentlichen kein Grundmaterial vorhanden, die Aus­ nahme stellen die Bereiche der Kolbenbolzennaben dar. Auf Grund des Fehlens von nicht-faserverstärtem Grundwerkstoff, das ansonsten, wenn es vorhanden ist, in hohem Maß einer Expansion und Kontraktion ausgesetzt ist, was zur Bildung von Rissen führt, ist der aus einer Leicht­ metallegierung gefertigte erfindungsgemäße Kolben frei von dem Problem und der Gefahr einer Rißbildung.

Durch eine vom Bolzenauge unabhängige Ausnehmung kann die Schnittfläche des im Bereich der Kolbenbolzenaugen durchtrennten faserverstärkten Metallteils klein gehalten werden, womit ein Ausfasern des Metallteils auch über eine lange Standzeit verhindert wird.

Die außenliegenden Bereiche der Bol­ zenaugen werden im Durchmesser vergrößert, so daß diese mittels Ausnehmungen vergrößerten Bohrungen das Wärmeregelglied mit einem größeren Win­ kel durchdringen. Damit wird die Länge der Kanten der Verstärkungsfasern in der Umlaufrichtung, die zum Inne­ ren der Hemdpartie freiliegt, vermindert, so daß der Biegewiderstand der Fasern an den freiliegenden Kanten erhöht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausbildung ist darin zu sehen, daß die erweiteren Bohrungsteile nicht länger als lastaufnehmende Flächen für den Kolbenbolzen dienen, weshalb es auch nicht notwendig ist, eine Ober­ flächenrauheit oder -güte dieser erweiteren Bohrungs­ teile in besonderer, kontrollierter Weise herauszuarbei­ ten. Die am Kolbenbolzen einwirkenden Belastungen wer­ den lediglich von den kleinkalibrigen, nicht erweiterten Kolbenbolzenaugen aufgenommen, die in üblicher, keine Schwierigkeiten hervorrufender Weise zu einer gewünschten Oberflächengüte bearbeitet werden können, weil diese kleinkalibrigen Bohrungen der Bolzenaugen verstärkende Fasern nicht kreuzen oder durchdringen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Innenkanten der erweiterten Bohrungen, die das Wär­ meregelglied durchdringen, im rechten Winkel zum Wärme­ regelglied ausgebildet, d. h., das Wärmeregelglied wird entlang von Ebenen, die rechtwinklig zur Längserstrec­ kung der Verstärkungsfasern liegen, durchtrennt. Die Enden des Wärmeregelglieds, die an den Schnitt- oder Trennebenen zum Vorschein kommen, zeigen auf diese Weise keinerlei scharfe oder keilförmige Kanten. Bei dieser Anordnung und Ausbildung besteht keine Möglichkeit für ein Brechen der Faserkanten auf Grund einer axial gerich­ teten Belastung.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch das Wärmeregelglied;

Fig. 2 einen vergrößerten lotrechten Schnitt durch ein Wärmeregelglied aus einem Fadenwickelträger mit um diesen gewickelten Graphitfäden;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Kolbens in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teil des Kolbens von Fig. 3;

Fig. 5 den Schnitt nach der Linie X-X in der Fig. 4;

Fig. 6 eine zu Fig. 4 gleichartige Darstellung für eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Wie die Fig. 1 in einer Vergrößerung zeigt, besteht das Wärmeleitglied 30 aus einem ringförmigen, faserverstärkten Metallteil, das als ein Stück mit der Hemdschulter 28 ausgestaltet ist. Dieses faserverstärkte Metallteil, das das Wärmeleitglied 30 bildet, umfaßt Fäden aus anorganischen, hoch zugfesten Verstärkungsfasern, wie Graphitfasern, die in einer Vielzahl von kreisförmigen Windungen zu einem Fadenwickel 34 zusammengefaßt sind. Beispielsweise enthält der Faden- oder Garnwickel 34 mehrere tausend ununterbrochene einzelne Graphitfasern, die in den Werkstoff einer Al-Legierung, welcher zusammen mit den verstärkenden Graphitfasern das Wärmeleitglied 30 bildet, integriert eingeformt oder eingegossen sind. Einzelne Graphitfasern werden mit der Metallegierung getränkt oder imprägniert und mit dieser festhaftend verbunden, um das faserverstärkte Metallteil zu bilden. Wenngleich in der Fig. 1 das Wärmeleitglied 30 mit rechteckigem, von der gestrichelten Linie 36 begrenzten Querschnitt dargestellt ist, so existiert eine solche bestimmte Grenzlinie zwischen dem faserverstärkten Wärmeleitglied 30 und dem benachbarten Bereich der Hemdschulter 28 in der Tat nicht, weil die Metallegierung zwischen die verstärkenden Fasern eindringt. Das Wärmeleit­ glied 30 enthält 40-60 Vol.-%, vorzugsweise 45-50 Vol.-%, an Graphitfasern.

Es ist darauf hinzuweisen, daß mit Ausnahme der Bereiche der Bolzennaben ein von Fasern nicht verstärkter Teil von erwähnenswerter Größe innerhalb des Innenumfangs 32 des das Wärmeleitglied 30 bildenden faserverstärkten Teils nicht vorhanden ist. Fortlaufende Graphitfasern mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten machen es dem faserverstärkten Teil möglich, als ein Wärmeleitglied zu wirken, das eine Wärmedehnung der Hemdschulter 28 unterbindet. Das das Wärmeleit­ glied 30 bildende faserverstärkte Teil wird gleichzei­ tig mit dem Gießen des Kolbens ausgestaltet. Da in den meisten Fällen der aus Graphitfasern bestehende Faden­ wickel 34 nicht ausreichend selbsthaltend ist, um seine Gestalt während des Gießens zu bewahren, ist es vorzu­ ziehen, einen Fadenwickelträger 40, wie Fig. 2 zeigt, zu verwenden. Dieser Fadenwickelträger 40 kann aus zer­ kleinerten anorganischen Fasern, z. B. Aluminiumsilikat­ fasern, die durch ein anorganisches Bindemittel mitein­ ander verklebt werden, um ein starres, poröses Teil zu bilden, das weniger als etwa 7 Vol.-% an zerkleinerten Fasern enthält, gefertigt werden. Der Fadenwickelträger 40 ist mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kehle versehen, in die die Fadenwickel der erforderlichen Anzahl an Windungen gewickelt werden. Die auf diese Weise gebildete Baugruppe 42 wird in den Formhohlraum einer Druckgußmaschine eingesetzt, worauf eine geschmol­ zene Al-Legierung unter Druck eingespritzt wird, so daß nach der Abkühlung ein Kolben 110 mit einem darin ein­ stückig eingeformten, faserverstärkten Wärmeleitglied 30, 130 erhalten wird.

Bei dem Kolben gemäß der Erfindung ist innerhalb des Innenumfangs des Wärmeleitglieds 30 mit Ausnahme der Bereiche der Kolbenbolzennaben 20 eine nennenswerte Menge von nichtfaserverstärktem Metall nicht vorhanden. Auf Grund des Fehlens von nicht-faserverstärkten Metallteilen, die ansonsten für eine radiale Beanspruchung der Anlaß sind, wird die Ausbildung von Rissen vermieden. Da die Kolbenbolzennaben 20 massiv sind und eine angemessene Starrheit aufweisen, werden die in diesen Bereichen liegenden verstärkenden Fasern im Ansprechen auf die Wärmedehnung der Bolzenna­ ben gestreckt oder gedehnt. Deshalb besteht keine Wahr­ scheinlichkeit für eine Entwicklung irgendeiner übermäßi­ gen radialen Beanspruchung längs des Innenumfangs des Wärmeleitglieds in den Bereichen der Kolbenbolzennaben 20.

Der in den Fig. 3-6 gezeigte Kolben 110 gemäß der Erfindung hat einen Kolbenboden 112, einen Kolbenkopf 114, eine Ringpartie 116 und eine Hemdpartie (Kolbenschaft) 118. In der Ringpartie 116 sind Ringnuten 122, 124 und 126 ausgearbeitet. Wie bei der ersten Ausführungsform ist auch hier das Schulterteil 128 mit einem Wärmeleitglied 130 aus fortlaufenden Graphitfasern ausgestattet. Die Graphitfasern werden von einem Fadenwickelträger 140 getragen und sind in die Al-Legierung als ein Teil mit dieser eingegossen. In gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform liegt der Innenumfang des Wärmeleitglieds 130 radial einwärts zum Inneren den Kolben hin mit Ausnahme der Bereiche der Kolbenbolzennaben frei.

Die Kolbenhemdpartie 118 weist zwei Kolbenbolzenaugen 160 auf, die das Kolbenhemd und die Bolzennaben, von denen nur die eine Kolbenbolzennabe 162 in Fig. 5 angedeutet ist, durchsetzen. Jedes Kolbenbolzenauge 160 hat eine Ringkehle 164 zur Aufnahme eines den Kolbenbolzen festhaltenden Sprengringes. Wie den Fig. 4 und 5 am besten zu entnehmen ist, ist der äußere Bereich eines jeden Bolzenauges 160 abgestuft, so daß eine erweiterte oder großkalibrige Bohrung 166 gebildet wird. Die dieser Bohrung 166 gegenüber kleinkalibrigen Kolbenbolzenaugen 160 sind nahe dem Schulterteil 128 derart angeordnet, daß sie sich im wesentlichen tangential zum obenliegenden Umkreis des Wärmeleitglieds 130 erstrecken. Die großkalibrige Bohrung 166 hat einen Durchmesser, der groß genug ist, daß sie das Wärmeleitglied 130 durchsetzt und durchtrennt, so daß zwei in jeder großkalibrigen Bohrung einander gegenüberliegende Kanten oder Stirnflächen gebildet werden.

Die Vorteile, die auf der Ausbildung der großkalibrigen Bohrung 166 beruhen, werden unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläutert. Wenn die äußeren Bereiche der Kolbenbolzenaugen 160 nicht erweitert sind und diese Bolzenaugen auf ihrer gesamten Erstreckung einen gleichförmigen Durchmesser haben, dann wird das Wärmeleitglied 130 so an- oder ausgeschnitten, daß es eine relativ lange, relativ scharfe oder spitze und keilförmige Kante (Stirnfläche) mit einer Länge a in der Umfangsrichtung darbietet. Wenn nun auf den Kolben als Folge des ihm in jedem Arbeitstakt der Maschine aufgebrachten Energiestoßes eine Beanspruchung wirkt, so werden einzelne, in das Grundmetall des Wärmeleitglieds eingeformte Graphitfasern einer axial gerichteten Biegekraft unterworfen, durch die die Graphitfasern an der Kante (Stirnfläche) des Wärmeleitglieds wegen ihrer geringen Biegefestigkeit in Stücke gebrochen werden. Diese gebrochenen Fasern werden vom Grundmetall losgelöst und weggeführt.

Bei der Ausführungsform gemäß der Erfindung wird die Länge der Stirnfläche des Wärmeleitglieds in der Umfangsrichtung auf die Strecke b verkürzt (Fig. 4), weil das Wärmeleitglied durch die großkalibrige Bohrung 166 unter einem größeren Winkel an- oder durchgeschnitten wird. Auch wird der Flächeninhalt der in der großkalibrigen Bohrung vorhandenen und austretenden Stirnfläche des Wärmeleitglieds verkleinert. Die Verminderung in der Länge der Stirnfläche und in deren Flächeninhalt setzt das auf die einzelnen Graphitfasern in der Stirn­ fläche einwirkende Biegemoment ganz erheblich herab, womit die Möglichkeit für einen Faserbruch wesentlich vermindert wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform beruht darin, daß nun die großkalibrige Bohrung 166 nicht mehr als eine Lagerfläche für den Kolbenbolzen dient, was bedeu­ tet, daß die großkalibrige Bohrung nicht maschinell bear­ beitet zu werden braucht, um eine spezifizierte Oberflä­ chengüte zu erhalten und zu bieten, weshalb diese Boh­ rung 166 allein durch einen einfachen Bohrvorgang ausge­ bildet werden kann. Die großkalibrige Bohrung 166 behin­ dert in keiner Weise einen Zutritt zum kleinkalibrigen Kolbenbolzenauge 160, das insofern bearbeitet werden kann, um die erforderliche Oberflächengüte zu erhalten.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die großkalibrige Bohrung 170 eine abgewandelte Ausgestaltung aufweist, die anderen Teile des Kolbens aber zu denjenigen der ersten sowie zweiten Ausführungsform gleich sind. In diesem Fall ist die großkalibrige Bohrung 170 weiter maschinell bearbeitet worden, um an dieser eine Schnittfläche 172 zu bilden, die das Wärmeleitglied 174 im rechten Winkel schneidet. Das kleinkalibrige Kolbenbolzenauge 176 ist zylindrisch und dient als Lagerfläche für den Kolbenbolzen. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Schnittebene am Wärmeleitglied 174 rechtwinklig zu dessen Längserstreckung, so daß die Stirnflächen des Wärmeleitglieds keinerlei Keilform aufweisen und deren Flächeninhalt auf dem minimalen Wert ist. Deshalb wird die auf die einzelnen Graphitfasern einwirkende Kraft ein Minimum, so daß die Möglichkeit für einen Faserbruch völlig beseitigt ist.

Claims (3)

1. Leichtmetallkolben für eine Brennkraftmaschine mit einer Kolbenhemdpartie sowie mit einem Paar von mit der Kolbenhemdpartie einstückigen diametral zueinander liegen­ den Kolbenbolzennaben, in denen Kolbenbolzenaugen ausge­ bildet sind, und mit einem ringförmigen, innerhalb sowie längs des Außenumfangs eines Schulterteils der Kolbenhemd Partie angeordneten, einer Wärmedehnung der Kolbenhemd Partie entgegenwirkenden Wärmeregelglied, das ein ringför­ miges, faserverstärktes Metallteil mit einem Bündel von hoch zugfesten Fasern umfaßt, die in eine den Werkstoff des Kolbens bildende Lichtmetallegierung ein­ stückig eingeformt sind, wobei das faserverstärkte Metall­ teil durch Eingießen eines mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kehle zur Aufnahme des Faserbündels ver­ sehenen Fadenwickelträgers gebildet ist, der aus zerkleinerten anorganischen Fasern besteht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das faserverstärkte Metallteil in die Kolbenhemdpartie (118) eingebettet ist, wobei außerhalb der Bereiche der Kolbenbolzennaben (162) ein wesentlicher Teil des Innenumfangs des Wärmeleitgliedes (30, 130, 174) zum Inneren der Kolbenhemdpartie hin freiliegt, und daß das faserverstärkte Metallteil im Bereich der Kolbenbolzenaugen (160, 176) durchtrennt ist, wobei zur Erzielung einer möglichst kleinen Schnittfläche (172) eine vom Kolbenbolzenauge (160, 176) unabhängige Ausnehmung vorgesehen ist.

2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittfläche (172) das Wärmeregelglied (30, 130, 174) im rechten Winkel durchtrennt.

3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenbolzenaugen (160, 176) nahe dem Schulterteil (128) der Kolbenhemdpartie (118) angeordnet und die Außenbereiche der Kolbenbolzenaugen (160, 176), die das Wärmeregelglied (30, 130, 174) durchsetzen, als großkalibrige Bohrung (166, 170) ausgebildet sind.