DE3932563A1 - Leichtmetallkolben fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallkolben für
Verbrennungskraftmaschinen, vorzugsweise mit im Kolbenschaft
integrierten Bolzennaben mit Block- oder Trapezabstützung,
insbesondere für Dieselmotoren, mit in den Bohrungen der
Bolzennaben eingesetzten, aus ermüdungsfestem metallischem
Werkstoff mit Gleiteigenschaften bestehenden
Bolzenlagerbuchsen, auf die der Kolbenwerkstoff
aufgeschrumpft ist.
Da die auf Kolben für Verbrennungskraftmaschinen
einwirkenden Kräfte über die Bolzennaben geleitet werden,
zählen diese zu den am höchsten beanspruchten Partien des
Kolbens. Selbst bei einer auf hohe Belastungen
ausgerichteten Bolzenlagerung, z. B. Pleuelbreite 35%,
Bolzendurchmesser 42%, maximal mögliche Bolzenlänge 82%
des Kolbendurchmessers, mit einer Lagerfläche (Durchmesser ×
Auflagelänge) von etwa 22% der Kolbenbodenfläche führt ein
maximaler Verbrennungsdruck von 150 bis 170 bar zu einer
spezifischen Flächenbelastung in den Bolzennaben von 680 bis
770 bar. Dies liegt über der Grenze von etwa 650 bar, für
die gegossene Leichtmetallkolben mit konventioneller
Konstruktion der Bolzennaben unter Voraussetzung
ausreichender Dehnlänge von über 20% des Kolbendurchmessers
sicher ausgelegt werden können. Höhere Belastungen des
Kolbens durch Verbrennungsdruck und Wärmespannungen
erfordern daher eine besonders sorgfältige konstruktive
Gestaltung der Bolzennaben, um deren Belastungen,
hervorgerufen durch Biegung und Abplattung des
Kolbenbolzens, und der dadurch entstehenden Gefahr von
Nabenspaltrissen begegnen zu können. Eine gleichmäßige
Verteilung der örtlichen Flächenpressungen zwischen dem
Kolbenbolzen und den Bolzennaben kann durch konische oder
ballige Aufweitung des pleuelseitigen Teils der Bohrung der
Bolzennaben oder durch eine ovale Bohrung in den
Bolzennaben, deren große Halbachse senkrecht zur Kolbenachse
verläuft, oder durch einen sogenannten Formkolbenbolzen, bei
dem der Außendurchmesser im Bereich der Innenkante der
Bohrungen in den Bolzennaben einen geringfügigen Einzug
aufweist, erreicht werden. Eine Reduzierung der
Zugspannungen in Umfangsrichtung der Bolzennaben ist durch
seitliche Aussparungen, sogenannte Öltaschen, der Bohrungen
der Bolzennaben möglich.
In diesem Zusammenhang spielen auch in die Bolzennaben mit
Übermaß eingesetzten Bolzenlagerbuchsen eine Rolle, die aus
ermüdungsfestem Gleitlagerwerkstoff, dessen
Ausdehnungskoeffizient nahe bei dem Ausdehnungskoeffizienten
des Kolbenwerkstoffs liegt, wie z.B. die Legierungsgruppen
CuAl10Ni, CuAl10Fe, CuSn8, AlZn5PbCuMg, AlSn6Cu, AlSn6Si4Cu,
AlCu3Sn2Mg und AlSn20Cu, bestehen, und auf die der
Kolbenwerkstoff aufgeschrumpft ist. Da die auf die
Bolzenlagerbuchsen wirkenden Schrumpfspannungen im
Motorbetrieb teilweise wieder abgebaut und die von den
Bolzenlagerbuchsen aufgenommenen Belastungen auf den
Kolbenwerkstoff übertragen werden, kommt es zu einer
plastischen Verformung des Kolbenwerkstoffs, wodurch sich im
oberen Scheitelbereich ein Spalt zwischen den
Bolzenlagerbuchsen und den Bolzennaben, insbesondere im
Bereich des pleuelseitigen Abschnitts der Bohrungen der
Bolzennaben, bilden kann. Als Folge davon entstehen an den
Bolzenlagerbuchsen Biegemomente, die zum Lockern oder
Verschieben oder zum Umfangsriß der Bolzenlagerbuchsen
führen können.
Es ist zwar versucht worden (DE 30 05 082 A), diesem
Nachteil dadurch abzuhelfen, daß die Bolzenlagerbuchsen am
Außenumfang mit einer chemisch oder galvanisch
abgeschiedenen Eisenschicht überzogen und unter Bildung
einer intermetallischen Zwischenschicht an der
Berührungsfläche zwischen der Eisenschicht und dem
Kolbenwerkstoff eingegossen sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
spaltbildungssichere Verbindung zwischen dem auf die
Bolzenlagerbuchsen aufgeschrumpften Kolbenwerkstoff und den
Bolzenlagerbuchsen zu schaffen.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Bolzenlagerbuchsen
mechanisch, vorzugsweise durch Glattwalzen mit
gleichzeitiger Dehnung aufgeweitet sind, wodurch eine
deutlich festere Schrumpfverbindung zwischen den
Bolzenlagerbuchsen und den Bolzennaben gegeben ist.
Die Bolzenlagerbuchsen können auch durch Abtragen mit
gleichzeitiger Kaltverformung aufgeweitet sein.
Die Bolzenlagerbuchsen können über ihre ganze Länge oder nur
über einen Teil ihrer Länge aufgeweitet sein, wobei die
Aufweitung nach einem weiteren Erfindungsmerkmal 30 bis
500 µm, vorzugsweise 50 bis 250 µm, beträgt.
Die Aufweitung kann im Rahmen der Ausgestaltung der
Erfindung eine konische oder ballige, an der Innenkante der
Bohrungen der Bolzenlagerbuchsen beginnende Form aufweisen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Bolzennaben ermöglicht
die Anordnung von Bolzenlagerbuchsen nur in solchen
Bereichen der Bolzennaben, in denen die größte Beanspruchung
erfolgt, insbesondere im pleuelseitigen Abschnitt der
Bolzenlagerbuchsen.
Die Erfindung erlaubt in vorteilhafter Weise auch den
Einsatz von Bolzenlagerbuchsen mit unterschiedlicher axialer
Länge im oberen und unteren Scheitelbereich der Bolzennaben.
Die Veränderung der Spannungsverteilung in den
Kontaktflächen der Bolzennaben hat allerdings auch
Rückwirkungen auf die Spannungen an anderer Stelle des
Kolbens. So kommt es insbesondere zum Spannungsanstieg an
den unter Verbrennungsdruck maximal belasteten Stellen des
Randes des Innen-Verbrennungsraums sowohl in
Druck-Gegendruckrichtung als auch etwa in gleichem Ausmaß in
Bolzenachsrichtung. Diesen Nachteil kann man dadurch
beseitigen, daß bei dem Leichtmetallkolben erfindungsgemäß
in den Bereichen zwischen der Ringnut für den obersten
Verdichtungsring und dem oberen Scheitel der Bohrungen in
den Bolzennaben eine vom Mantel des Kolbenschafts zur
Kolbeninnenseite verlaufende, sich beidseitig der die
Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene
erstreckende Entlastungskerbe, vorzugsweise als Sackloch
ausgebildet, vorgesehen ist. Ein solches Sackloch bewirkt
eine Umlenkung des durch die Beanspruchung der Bolzennaben
entstehenden Kraftflusses in die Breite, d. h. in die
Bereiche links und rechts vom Sackloch, was wiederum zu
geringeren mechanischen Spannungen am Rand des
Innen-Verbrennungsraums und zu einem Spannungsausgleich im
Bereich der Ringnuten führt, da die Abstützbreite des
Kolbens über den Bolzennaben vergleichsweise größer ist.
Daraus folgt, daß im Fall sehr hoher Beanspruchung des
Kolbens bei gleichzeitig hoher Beanspruchung des Randes des
Innen-Verbrennungsraumes die erreichbare Steigerung der
spezifischen Flächenbelastbarkeit der Bolzennaben durch die
eingeschrumpften Bolzenlagerbuchsen nicht eingeschränkt ist.
Bei einem Leichtmetallkolben für Dieselmotoren mit im
Kolbenboden angeordnetem, durch einen eingegossenen
Faserformkörper am Rand verstärktem Innen-Verbrennungsraum,
mit im Kolbenschaft integrierten Bolzennaben mit Block- oder
Trapezabstützung, mit in den Bereichen zwischen der Nut für
den obersten Verdichtungsring und dem oberen Scheitel der
Bohrungen in den Bolzennaben angebrachter, vom Mantel des
Kolbenschafts zur Kolbeninnenseite verlaufender, sich
beidseitig der die Kolbenachse und die Bolzenachsrichtung
einschließenden Ebene erstreckender Entlastungskerbe, kann
es ausreichend sein, wenn in die Bohrungen der Bolzennaben
Bolzenlagerbuchsen aus ermüdungsfestem metallischem
Werkstoff mit Gleiteigenschaften eingesetzt sind.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Leichtmetallkolbens für
Dieselmotoren in Bolzenachsrichtung.
Fig. 2 einen Schnitt durch den Leichtmetallkolben gemäß
Fig. 1 entlang der die Bolzenachsrichtung und die
Kolbenachse einschließenden Ebene.
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Leichtmetallkolbens gemäß
Fig. 1 mit zwischen der Nut für den Ölabstreifring
und dem oberen Scheitel der Bohrungen in den
Bolzennaben angebrachtem Sackloch.
Fig. 4 einen Schnitt durch den Leichtmetallkolben gemäß
Fig. 3 entlang der die Bolzenachsrichtung und die
Kolbenachse einschließenden Ebene.
Der aus einem Kolbenwerkstoff der Legierungsgruppe
AlSi12CuNiMg gießgepreßte Kolben (1) besitzt einen
Kolbenboden (2) mit Innen-Verbrennungsraum (3), der radial
durch einen hohlzylinderförmigen, einen Teil des
Kolbenbodens (2) bildenden und sich bis hinter die
Ringpartie (4) ausdehnenden Faserformkörper (5) aus
Al2O3-Fasern begrenzt ist. Die oberste Nut (6) für den
Verdichtungsring ist in einen aus einem austenitischen
Sondergußeisen bestehenden Ringträger (7) eingestochen. In
die im Kolbenschaft (8) integrierten Bolzennaben (19) mit
Blockabstützung ist jeweils eine Bolzenlagerbuchse (11, 12)
aus einem Gleitlagerwerkstoff der Legierungsgruppe CuAl10Fe
mit einem E-Modul von 125 000 N/mm2 mit einem Übermaß von
+0,064 µm eingeschrumpft. Die Bolzenlagerbuchsen (11, 12)
sind zur Erhöhung der Schrumpfspannungen auf ihrer ganzen
Länge mechanisch durch Rollieren aufgeweitet, wodurch das
Übermaß zwischen der Bohrung in den Bolzennaben (9, 10) und
dem Außendurchmesser der Bolzenlagerbuchsen (11, 12) auf
+0,091 µm erhöht wird. Die im Bereich der Mitte des oberen
und des seitlichen Scheitels der Bolzenlagerbuchsen (11, 12)
gemessenen Schrumpfspannungen betrugen vor der Aufweitung in
Umfangsrichtung -174 N/mm2 bzw. -185 N/mm2 und in
Bolzenachsrichtung -72 N/mm2 bzw. -74 N/mm2. Durch das
Rollieren der Bolzenlagerbuchsen (11, 12) konnten die
Schrumpfspannungen in Umfangsrichtung auf -207 N/mm2 bzw.
-211 N/mm2 und in Bolzenachsrichtung auf -99 N/mm2 bzw.
-89 N/mm2 erhöht werden.
Gemäß Fig. 3 und 4 ist in Ergänzung der Fig. 1 und 2 im
Bereich zwischen der Nut (13) für den Ölabstreifring und dem
oberen Scheitel der Bohrungen in den Bolzennaben (9, 10) ein
radial sich vom Mantel des Kolbenschafts (8) nach innen
erstreckendes, im Querschnitt langlochartiges
Sackloch (14, 15) vorgesehen, das sich bis etwa zur Mitte der
Auflagelänge des Kolbenbolzens in den Bolzennaben (9, 10)
symmetrisch zu der die Kolbenachse und die
Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene und senkrecht zu
der die Kolbenachse und die Richtung senkrecht zur
Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene erstreckt.
Die Meßergebnisse der Schrumpfspannungen an
Leichtmetallkolben mit in den Bolzennaben eingeschrumpften
Bolzenlagerbuchsen zeigen eindeutig, daß eine
spaltbildungsfreie Verbindung zwischen den Bolzennaben des
Leichtmetallkolbens und den in den Bolzennaben
eingeschrumpften Bolzenlagerbuchsen grundsätzlich möglich
ist, wenn die Bolzenlagerbuchsen erfindungsgemäß mechanisch
aufgeweitet sind.
Claims (11)
1. Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen,
vorzugsweise mit im Kolbenschaft integrierten
Bolzennaben mit Block- oder Trapezabstützung,
insbesondere für Dieselmotoren, mit in den Bohrungen der
Bolzennaben eingesetzten, aus ermüdungsfestem
metallischem Werkstoff mit Gleiteigenschaften
bestehenden Bolzenlagerbuchsen, auf die der
Kolbenwerkstoff aufgeschrumpft ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bolzenlagerbuchsen (11, 12)
mechanisch aufgeweitet sind.
2. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bolzenlagerbuchsen (11, 12) durch
Glattwalzen mit gleichzeitiger Dehnung aufgeweitet sind.
3. Leichtmetallkolben nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bolzenlagerbuchsen (11, 12) durch
Abtragen mit gleichzeitiger Kaltverformung aufgeweitet
sind.
4. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bolzenlagerbuchsen (11, 12) auf ganzer axialer Länge
aufgeweitet sind.
5. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bolzenlagerbuchsen (11, 12) nur über einen Teil der
axialen Länge, insbesondere in ihrem pleuelseitigen
Abschnitt, aufgeweitet sind.
6. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufweitung der Bolzenlagerbuchsen (11, 12) 30 bis 500 µm,
vorzugsweise 50 bis 250 µm, beträgt.
7. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bolzenlagerbuchsen (11, 12) von
ihrer Innenkante her konisch oder ballig aufgeweitet
sind.
8. Leichtmetallkolben nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß sich die Bolzenlagerbuchsen (11, 12)
in axialer Richtung nur über einen Teil der Bohrungen
der Bolzennaben (9, 10) erstrecken.
9. Leichtmetallkolben nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bolzenlagerbuchsen (11, 12) nur
im pleuelseitigen Abschnitt der Bohrungen der
Bolzennaben (9, 10) angeordnet sind.
10. Leichtmetallkolben nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den
Bereichen zwischen der Nut (13) für den obersten
Verdichtungsring und dem oberen Scheitel der Bohrungen
in den Bolzennaben (9, 10) eine vom Mantel des
Kolbenschafts (8) zur Kolbeninnenseite verlaufende, sich
beidseitig der die Kolbenachse und die
Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene erstreckende
Entlastungskerbe, vorzugsweise als Sackloch (14, 15)
ausgebildet, vorgesehen ist.
11. Leichtmetallkolben für Dieselmotoren mit im
Kolbenboden (2) angeordnetem, durch einen eingegossenen
Faserformkörper (5) am Rand verstärktem
Innen-Verbrennungsraum (3), mit im Kolbenschaft (8)
integrierten Bolzennaben (9, 10) mit Block- oder
Trapezabstützung, mit in den Bereichen zwischen der
Nut (6) für den obersten Verdichtungsring und dem oberen
Scheitel der Bohrungen in den Bolzennaben angebrachter,
vom Mantel des Kolbenschafts (8) zur Kolbeninnenseite
verlaufender, sich beidseitig der die Kolbenachse und
die Bolzenachsrichtung einschließenden Ebene
erstreckender Entlastungskerbe (14, 15) und mit in den
Bohrungen der Bolzennaben eingesetzten, aus
ermüdungsfestem metallischem Werkstoff mit
Gleiteigenschaften bestehenden Bolzenlagerbuchsen.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |