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Abdichtung für Leichtmetallkolben Gegenstand der Erfindung ist eine
Abdichtung für Kolben aus: Leichtmetall in Zylindern von Brennkraftmaschinen mit
Stahllaufflächen, also für eine Werkstoffpaarung, die sich insbesondere in hochbeanspruchten,
schnell laufenden Verbrennungskraftmaschinen sehr häufig findet. In solchen Motoren
werden Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen aus Stahl insbesondere mit nitrierten Laufflächen
wegen der Härte und Verschleißfestigkeit dieser Werkstoffe verwendet, die eine lange
Lebensdauer der Zylinder gewährleisten.
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Neben der Verschleißfestigkeit sind aber die guten Laufeigenschaften.
der Gleitflächen in solchen Motoren von größter Wichtigkeit. Man war bisher bei
der Werkstoffwahl gezwungen, einen Mittelweg zwischen höchster Verschleißfestigkeit
und besten Laufeigenschaften zu suchen, da beide Eigenschaften nicht von den gleichen
Werkstoffen in höchstem Grad erfüllt «-erden können. Zwar hat Leichtmetall bei gleitender
Reibung gegen Stahl vorzügliche Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig sehr guten
Laufeigenschaften; es war aber nicht zu verhindern, daß bei den zur Abdichtung verwendeten
Kolbenringen, die den höchsten Beanspruchungen in den genannten beiden Richtungen
ausgewetzt sind. `'Werkstoffe miteinander in Berührung kamen, .die diesen hohen
Ansprüchen nicht so gut gewachsen «-aren wie das Werkstoffpaar Leichtmetall-Stahl.
Soweit die Kolbenringe aus Leichtmetall bestanden, waren sie in den gleichfalls
aus
Leichtmetall bestehenden Kolben nicht zu verwenden, weil ;sie
in den Nuten klebten, wozu noch kam, @daß die Ringe den bei der schnellen B.ewegungsumkehr
auftretenden mechanischen Beanspruchungen durch @ Stöße urnd- Schläge nicht gewachsen
waren und sich verformten, sowie keine genügende Spannungsbeständigkeit aufwiesen.
Kolbenringe aus- Stahl ,dagegen waren wegen der schlechten Laufeigenschaften gegen
Stahllaufflächen nicht zu verwenden. , Es ist nun bereits bekannt, durch die Zusammensetzeng
von Kolbenringen aus zwei oder mehr Werkstoffen deren gute Eigenschaften zu verbinden.
So hat man Kolbenringe aus Guß@eisen mit Einlagen aus Bronze, Zinn, Zink, Graphit
oder Kupfer versehen, wobei diese Einlagen: gegebenenfalls aus der Lauffläche etwas
hervorstanden. Der Einlagewerkstoff sollte verhältnismäßig schnell verschleißen
und einen guten Laufspiegel schaffen. Für die Einlaufzeit hat man ferner Laufflächenschichten
aus Kunstharz vorgeschlagen, gegebenenfalls unter Zufügung von feinsteru Poliermitteln,
welche die Unebenheiten der Lauffläche abtragen sollten.
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Ferner hat man Kolbenringe aus Kunstharz oder auch aus Gußeisen mit
einem Rücken oder mit Stützfedern aus Stahl ausgestattet, um die Eigenfederung der
Ringe zu erhöhen, und, falls der Kolbenring aus Kunstharz bestand, auch die mechanische
Festigkeit deis Ringes zu steigern.
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Bekannt sind schließlich auch Stahlkolbenringe mit einer aufplattierten
Laufflächensschicht, die auseinerverhältnismäßigidicken, ölaufsaugenden Legierung
aus Bronze oder eine Kupfer-Zinn-Graphit-Mischung o.d. dgl.. besteht, sowie Laufflächenschichten
,aus Leichtmetall auf Stahllagerschalen oder auf Stahlkolben von Brennkraftmaschinen.
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Zu erwähnen sind ferner Vorschläge, Gußeisenringe mit Einlagen aus
Leichtmetall zur Erhöhung ihrer Verschleißfestigkeit zu versehen, U-förmige Kolbenringe
aus, Stahl mit Aluminium od. dgl. zu füllen oder auf die Schulterflächen von Kolbenringen
aus Leichtmetall Schichten aus Chrom oder Stahl aufzuspritzen. Auch das Plattieren
der Schulterflächen von Leichtmetallkolbenringen mit Stahl ist bereits vorgeschlagen
worden. In allen diesen Fällen lagen aber die Stahlschichten an den Stahlflächen
des Zylinders an, mindestens an den Kanten zwischen Lauffläche und Schulterfläche
des Kolbenrings, also .an einer Stelle höchster mechanischer Beanspruchung, was
auch die Dauerhaftigkeit der Verbindung der beiden Kolbenringwerkstoffe beeinträchtigte.
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Durch die Erfindung ,sollen nun die vorzüglichen Lauf- und Verschleißeigenschaften
des Werkstoffpaares Leichtmetall - Stahl durch eine entsprechende Gestaltung der
Kolbenabdichtung voll ausgenutzt werden, und zwar so, daß keinerlei gegenseitige
Berührung gleichartiger Werkstoffe während der ganzen Lebensdauer der verwendeten
Teile stattfindet. Sowohl bei der Berührung zwischen Kolben und Kolbenring in den
Kolbennuten als auch bei der Berührung zwischen Kolbenringlauffläehe und Zylinderlauffläche
als schließlich auch bei -der Berührung zwischen Zylinder und Kolben sollen nur
Leichtmetallstellen auf Stahlstellen treffen, was,die Nachteile,des Fressens von
Stahl auf Stahl und des Klebeis von Leichtmetall auf Leichtmetall verhindert. Gleichzeitig
wird durch die Verwendung von Leichtmetall für die Kolbenabdichtung eine Gewichtsverringerung
erreicht, die sich bei schnell laufenden Motorei durch eine geringere Beanspruchung
der Stege zwischen den Kolbennöten günstig auswirkt.
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Erfindungsgemäß soll die auf Stahlkolbenringe aufplattierte, vorzugsweise
aufgewalzte Laufflächenschicht aus Leichtmetall bestehen und infolge geeigneter
Bemessung der radialen Stärke oder axialen Höhe nicht mit dem Kolben in Berührung
kommen können. Es ist ,gleichgültig, welche Zusammensetzung @die°verwen.deten Werkstoffe
im einzelnen haben, obwohl auch hierbei Abwandlungen besonders vorteilhaft sind,
welche die Tatsache berücksichtigen; daßAer Stahlrücken des Kolbenrings keine guten
Laufeigenschaften, aber größte Spannungsbeständigkeit besitzen muß. So kannmau den
Stahlteil des Kolbenrings beispielsweise aus einem Chromstahl herstellen, während
für den Laufflächenteil eine Kolbenlegierung, aber auch hochreines Aluminium mit
besonderem Vorteil verwendbar ist. Die Verbindung der beiden Teile durch Plattierung
gewährleistet- im Gegensatz zu aufgespritzten Schichten oder zum Einlegen des einen
Werkstoffs in den anderen eine sehr hohe Haltbarkeit, und es hat sich gezeigt, .daß
der Halt auch beider verschiedenen Ausdehnung der Werkstoffe in .der Betriebswärme
nicht gelockert wird. Auch die Herstellung der Ringe ist auf >diese Weise einfacher
als bei der Verwendung von Einlagen oder von aufgespritzten Schichten.
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Die radiale Breite und axiale Höhe der beiden Kolbenringteile muß
so gewählt werden, .daß der Kolben;ring ani allen mit .der Kolbennutwand in Berührung
kommenden Stellen aus Stähl besteht, die Breite des Stahlrückens muß also ebenso
groß oder größer sein, wie die Tiefe .der Kolbennut, oder die axiale Höhe .des Stahlteils
muß größer sein als die des Leichtmetallteils. Andererseits soll der Laufflächenteil
radial und axial so breit sein., daß er sich bei dem unvermeidlich auftretenden
Verschleiß 1 nicht völlig abnutzt: Versuche haben die Erwartung bestätigt, daß Kolbenringe
gemäß der Erfindung bei hoher Spannungsbeständigkeit einen sehr geringen Verschleiß
und sehr gute Laufeigenschaften aufweisen. Ein Kolbenring mit einem Stahlrücken
von z mm Stärke und einer ebenso starken 1.,eichtmetallaufflächenschicht wies nach
mehrstündigem Lauf in einem Versuchsmotor bei hoher Betriebstemperatur vor wie nach
dem Lauf eine Spannung von 4,45 kg auf, was einer spezifischen Flächenpressung von
3 kg/cm? und einem scheinbaren Elastizitätmodul der Werkstoffkombination von 1,7
Millionen entspricht. Der durch die Verwendung des Stahlrückens ermöglichte hohe
Anpreßdruck -verhütet ,das bei niedrigerer Spannung auftretende Kolbenringflattern,
während
die Gewichtsverringerung gegenüber Gußeisen durch den starken Leichtmetalllaufflächenteil
.sich ebenfalls günstig auswirkte. Die Herstellung der Ringe war sehr einfach, und
die Verbindung zwischen Stahl- und Leichtmetallschicht widerstand jeder Beanspruchung.
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Der Gedanke d er Erfindung, durch eine geeignete Kombination: zweier
Werkstoffe und eine entsprechende Gestaltung des Kolbenrings die Berührung gleichartiger
Werkstoffe zwischen Kolben, Zylinder und Kolbenringe von der Kolbenringseite her
unmöglich zu machen, läßt sich natürlich auch beispielsweise beim Lauf von Gußeisenkolben
gegen Leichtmetallaufflächen nutzbar machen. Es ist zwar bereits bekannt, Leichtmetallkolben
gegen Leichtmetallzylinder ,durch stark aus der Kolbennut hervorstehende und auf
den ganzen Kolbenschaft verteilte Stahlkolbenringe abzudichten, jedoch lag hierbei
nicht die Aufgabe vor, die guten Lauf- und Verschleißeigenschaften eines bestimmten
Werkstoffpaares bei allen drei Gleitteilen möglichst vollständig auszuwerten.
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In der Zeichnung ist die Abdichtung gemäß der Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
dargstellt, und zwar zeigt Abb. i einen Kolbenring mit geeigneter Bemessung der
radiälen Stärke, Abb. 2 einen solchen mit geeigneter Bemessung der radialen Höhe
der Laufflächenschicht. Der Kolbenring i in der Kolbennut 2 besteht aus Stahl; auf
seine Lauffläche ist die Leichtmetallschicht 3 aufplattiert. Der Kolbenring dichtet
den Spalt zwischen dem aus Leichtmetall bestehenden Kolben q. und dem Stahlzylinder
5 ab. In Abb. i ist die radiale Stärke des Kolbenrings i so groß bemessen, .daß
sie die Tiefe der Kolbennut :2 übersteigt. Dadurch kommt die Leichtmetallschicht
3 nicht mit den Wänden der Nut, 2 in Berührung. In Abb. 2 ist die Leichtmetallschicht
3 an den Laufflächenkanten abgeschrägt und berührt deshalb ebenfalls den Kolben
q. nicht.