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Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft
einen Leichtmetallkolben für Brennkraftmaschinen mit einer Bewehrung der beiden
Flanken mindestens einer Kolbenringnut durch im Kolbenwerkstoff verankerte Einlagen
aus einem warmfesteren Metall, welche aus einzelnen oder durch verbindende Bogenstücke
zu elastisch verformbaren Ringen zusammengefaßten vollwandigen Ringsegmenten bestehen,
die in Achsenrichtung sowohl über die obere als auch über die untere Flanke der
durch sie bewehrten Kolbenringnut hinausragen.
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Bei Kolben dieser Bauart wird eine sichere Verankerung der Bewehrungsteile
im Kolbenkörper dadurch begünstigt, daß die getrennt voneinander angeordneten oder
durch verbindende Bogenstücke zu elastisch verformbaren Ringen zusammengefaßten
Ringsegmente der bei Temperaturänderungen auftretenden Ausdehnung des aus Leichtmetall
bestehenden Kolbenkörpers folgen können, ohne daß dabei die an den Anlageflächen
auftretenden Schubspannungen so groß werden, daß die Schubfestigkeit überschritten
wird. Dabei liegen die Ringnutflanken teils im Kolbenkörper und teils in den Einlagesegmenten
bzw. in den diese verbindenden Bogenstücken. Daraus ergibt sich einerseits der Vorteil,
daß der Wärmefluß in den vom Kolbenwerkstoff gebildeten Ringnutteilen nicht behindert
wird. Andererseits erfordert aber die Aufteilung der Ringnutbewehrungen in einzelne,
wenn auch vorzugsweise untereinander verbundene Segmente besondere Verankerungsmaßnahmen.
Es ist insbesondere notwendig, für eine in Achsenrichtung wirksame formschlüssige
Verankerung der im Bereich der Ringnutflanken befindlichen Einlagenteile, z. B.
durch schwalbenschwanzähnliche Gestaltung der Begrenzungsflächen dieser Teile, zu
sorgen, um deren Lockerung durch axial wirkende Massenkräfte (Trägheitswiderstände)
und durch das Hämmern der mit axialem Spiel eingesetzten Kolbenringe vorzubeugen.
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Die bisher bekanntgewordenen Leichtmetallkolben mit vollwandigen Ringsegmenteinlagen
lassen eine derartige Verankerung vermissen. Da es sich dabei stets um Kolben mit
durch Gießen hergestellten Einlagen handelt, wäre sie auf wirtschaftlichere Weise
auch nicht ohne weiteres zu erreichen gewesen, denn um schwalbenschwanzähnlich einspringende
Begrenzungsflächen beim Gießen herzustellen, wären schwer herstellbare und verwickelte
Gießformen erforderlich gewesen.
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Andererseits sind Leichtmetallkolben mit nicht vollwandigen, durch
Ausstanzen aus einem Blechstreifen gewonnenen Flankenbewehrungen für die Kolbenringnuten
bekannt, bei denen eine einwandfreie Verankerung auf verhältnismäßig einfache Art
durch beim Stanzen aufgebogene Teile erreicht ist. Diese bekannte Bauart befriedigt
jedoch deshalb nicht, weil die aufgebogenen Teile die zwischen den einzelnen Kolbenringnuten
befindlichen Ringstege nicht unerheblich schwächen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Ringträgerkolben
zu schaffen, der die Vorteile der beiden bekannten Bauarten, nämlich leichte Herstellbarkeit,
niedriges Gewicht, Billigkeit, Fähigkeit des Ringträgers, sich dem Wärmeausdehnungsverhalten
des aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörpers anzupassen, und einwandfreie Verankerung
des Ringträgers im Leichtmetallkolbenkörper in sich vereinigt, ohne dabei auch deren
Nachteile aufzuweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Leichtmetallkolben
der eingangs erwähnten Art mit dem Kolbenwerkstoff in Berührung stehende Stirnflächen
der von der Kolbenringnut angeschnittenen Teile der Einlagen an ihren von den Ringnutflanken
abgewandten Rändern seitlich (in radialer und/oder tangentialer Richtung) überstehende
Wülste aufweisen, die durch Prägen der aus den zu den Ringnutflanken parallelen
Teile der Einlagen verdrängten Werkstoff gebildet sind und gegen die Ringnutflanken
schwalbenschwanzähnlich einspringende Begrenzungsflächen aufweisen.
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Es werden also vollwandige, sich in Achsenrichtung über beide Nutflanken
hinaus erstreckende
Ringträger der zuerst besprochenen Bauart durch
eine Gestaltung entsprechend der sodann genannten Bauart in tangentialer Richtung
elastisch nachgiebig gemacht, so daß die Notwendigkeit entfällt, sie aus teuren
Werkstoffen mit großer Wärmeausdehnung herzustellen oder sie metallisch mit dem
Kolbenwerkstoff zu binden; und es werden die dann zur Verankerung erforderlichen
Begrenzungsflächen, die bei einem derartigen Stück Hinterschneidungen bilden, in
einfacher Weise durch Werkstoffverdrängung gebildet.
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Wie man dabei vorgehen kann, wird an Hand von Ausführungsbeispielen
erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt F i g. 1 einen Teil einer
einen Ringträger bildenden Einlage in Draufsicht, F i g. 2 einen Schnitt nach der
Linie II-II der F i g. 1 in größerer Darstellung, F i g. 3 einen Schnitt aus einem
Kolbenrohling mit eingegossener Einlage nach F i g. 1, F i g. 4 denselben Schnitt
nach der Fertigbearbeitung des Kolbens, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V
in F i g. 4 und F i g. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der F i g. 5; F i g.
7 zeigt die abgewandelte Ausbildung einer einen Ringträger bildenden Einlage, die
im übrigen der Ausführung nach F i g. 1 gleicht; F i g. 8 stellt einen Schnitt nach
der Linie VIII-VIII der F i g. 7 dar, und F i g. 9 zeigt einen Schnitt durch einen
Kolben ähnlich dem gemäß F i g. 4, wobei jedoch die Einlage nach F i g. 7 ausgebildet
ist; F i g. 10 stellt einen Teil einer anderen Einlage dar; F i g. 11 ist ein Schnitt
nach der Linie XI-XI der F i g. 10, und F i g. 12 zeigt einen Teil eines Kolbens
mit einem Ringträger gemäß F i g. 10 in Ansicht; F i g. 13 zeigt einen Teil einer
weiteren, einen Ringträger bildenden Einlage, dessen Querschnittsprofii im Schnitt
nach der Linie XIV-XIV aus F i g. 14 ersichtlich ist; F i g. 15 zeigt einen Schnitt
nach der Linie XV-XV in F i g. 16 aus einem Kolben mit einer Einlage gemäß F i g.
13; F i g. 16 ist ein Schnitt nach der Linie XVI-XVI der F i g. 15, und F i g. 17
stellt einen Schnitt nach der Linie XVII-XVII der F i g. 16 dar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 6 findet als Einlage
10 ein Ringträger Verwendung, der radial gerichtete Segmentteile 11 aufweist,
welche unter sich durch einen äußeren Ringteil 12 verbunden sind, dessen Außendurchmesser
größer ist als derjenige des bearbeiteten Kolbens, so daß ein Teil des äußeren Ringteiles
bei der späteren Bearbeitung wegfällt. Die Höhe des Ringträgers in Achsenrichtung
ist größer als die Tiefe der einzustechenden Ringnut 15. Die obere und untere Fläche
des Ringträgers ist zunächst eben, so daß der Querschnitt die in F i g. 2 in gestrichelten
Linien angedeutete Form hat. In dieser Form kann er aus Blech ausgestanzt oder gegossen
werden. Bei der Herstellung durch Gießen empfiehlt es sich, eine Büchse mit einem
Querschnitt gemäß den Umrißlinien der F i g. 1 zu gießen und von dieser die einzelnen
Ringträger abzustechen. Der Gußwerkstoff muß jedoch durch Prägen verformbar sein.
Gut geeignet ist Kugelgraphitstahl. In das so erhaltene Rohstück werden mittels
geeigneter Prägewerkzeuge Vertiefungen 13 in die obere und untere zu den Ringnutflanken
parallele Fläche so eingedrückt, daß der Werkstoff nach der inneren Stirnseite hin
ausweicht und dort überstehende Wülste mit gegen die Ringnutflanken schwalbenschwanzähnlich
einspringenden Begrenzungsflächen 14 bildet.
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Der dadurch fertiggestellte Ringträger wird in bekannter Weise in
das zur Herstellung eines aus Leichtmetall bestehenden Kolbenkörpers 1 dienende
Gießwerkzeug eingelegt und mit Leichtmetall umgossen, wobei eine gute Verankerung
durch die Segmentteile 11, die Vertiefungen 13 und die schwalbenschwanzähnlichen
Begrenzungsflächen 14 gewährleistet ist. Beim Abdrehen des Kolbens auf den gewünschten
Durchmesser und beim Einstechen der Kolbennut 15 fällt von dem Ringteil 12 des Ringträgers
der größte Teil weg (F i g. 4 und 6). Die verbleibenden schmalen Bänder sind elastisch
genug, um dem Ausdehnungsbestreben des Kolbenkörpers 1 folgen zu können. Sie sind
durch die Begrenzungsflächen 14 in Achsenrichtung einwandfrei verankert. Das in
die Vertiefungen 13 beim Umgießen eingeflossene Leichtmetall wirkt verankernd in
radialer Richtung und stützt außerdem gegen tangential gerichtete Kräfte ab, die
beim Einstechen der Kolbenringnut 15 auftreten. Eine kräftige Verankerung in radialer
Richtung ist außerdem durch die Segmentteile 11 gegeben.
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Das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 7 bis 9 unterscheidet sich
von dem vorher besprochenen nur dadurch, daß schrägflächige Einprägungen 13' vorgesehen
sind.
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Beim Beispiel nach den F i g. 10 bis 12 findet als Einlage
20 ein Ringträger Verwendung, dessen zur Nutflankenbewehrung dienende Segmentteile21
durch einen inneren Ringteil 26 verbunden sind. Zur Bildung schwalbenschwanzähnlicher
Verankerungen dienen hier Begrenzungsflächen 24, welche durch Einprägen radial gerichteter
Vertiefungen 23 erzeugt werden. Beim Beispiel nach den F i g. 13 bis 16 findet als
Einlage 30 ein Ringträger Verwendung, dessen radial gerichtete Segmentteile
31 durch äußere und innere Bogenstücke 32 und 36 abwechselnd so verbunden sind,
daß ein mäanderartiges Gebilde entsteht. Die schwalbenschwanzbildenden Begrenzungsflächen
34 sind durch tangential verlaufende Einprägungen 33 in den äußeren
Bogenteilen 32 erzeugt.